Картина Винсента Ван Гога «Звездная ночь» изображает закрученное голубое небо с желтой луной и звездами. Небо — это взрыв красок и форм, каждая звезда заключена в рябь желтого, мерцающая светом, как отражения на воде.
Мазки кисти Ван Гога создают иллюзию движения неба настолько убедительную, что заставили ученых, изучающих атмосферу, задуматься, насколько тесно это соответствует физике реального неба. В то время как атмосферное движение на картине невозможно измерить, мазки кисти можно.
В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Physics of Fluids издательства AIP Publishing, исследователи из Китая и Франции, , специализирующиеся на морских науках и гидродинамике проанализировали картину Ван Гога, чтобы выявить то, что они называют скрытой турбулентностью в изображении неба художником.
«Масштаб мазков краски сыграл решающую роль», — сказал автор Юнсян Хуан. «С помощью цифрового изображения высокого разрешения мы смогли точно измерить типичный размер мазков и сравнить их с масштабами, ожидаемыми из теорий турбулентности».
Чтобы выявить скрытую турбулентность, авторы использовали мазки кисти на картине, как листья, кружащиеся в воронке ветра, чтобы исследовать форму, энергию и масштабирование атмосферных характеристик иначе невидимой атмосферы. Они использовали относительную яркость или светимость различных цветов краски в качестве заменителя кинетической энергии физического движения.
«Это демонстрирует глубокое и интуитивное понимание природных явлений», — сказал Хуан. «Точное представление турбулентности у Ван Гога могло быть результатом изучения движения облаков и атмосферы или врожденного чувства того, как запечатлеть динамику неба».
В своем исследовании они изучили пространственный масштаб 14 основных вихревых форм картины, чтобы выяснить, согласуются ли они с теорией каскадной энергии, описывающей передачу кинетической энергии от крупномасштабных турбулентных потоков в атмосфере к мелкомасштабным.
Они обнаружили, что общая картина согласуется с законом Колмогорова, который предсказывает атмосферное движение и масштаб в соответствии с измеренной инерционной энергией. Углубляясь в микрокосм внутри самих мазков краски, где относительная яркость рассеивается по всему холсту, исследователи обнаружили соответствие с масштабированием Бэтчелора, которое описывает энергетические законы в мелкомасштабной пассивной скалярной турбулентности, следующей за атмосферным движением.
Обнаружение обоих масштабов в одной атмосферной системе встречается редко, и это стало большим стимулом для их исследования.
«Считается, что турбулентность является одним из внутренних свойств потоков с высоким числом Рейнольдса, в которых доминирует инерция, но в последнее время явления, подобные турбулентности, были зарегистрированы для различных типов систем потоков в широком диапазоне пространственных масштабов с низкими числами Рейнольдса, где вязкость играет более важную роль», — сказал Хуан.
«Похоже, настало время предложить новое определение турбулентности, которое охватило бы больше ситуаций».