Voor wetenschappers die worstelen met problemen die zo divers zijn als het bevatten van superheet plasma in een fusiereactor, het verbeteren van de nauwkeurigheid van weersvoorspellingen, of het onderzoeken van de onverklaarbare dynamiek van een ver sterrenstelsel, turbulentie-spawning shear flow is een ernstige complicerende factor.

Simpel gezegd, afschuifstroming treedt op wanneer twee vloeistoffen - waarbij vloeistoffen een vloeistof zijn, een gas of een plasma (het amorfe superhete gas waaruit sterren zoals onze zon bestaan ​​of dat voorkomt in een fusie-apparaat) - passeren elkaar, zoals wanneer wind over een meer stroomt of hete gasstralen uit een melkwegstelsel. De turbulente chaos die ontstaat als gevolg van de op elkaar inwerkende vloeistoffen kan buitengewoon moeilijk na te bootsen zijn in de numerieke modellen die wetenschappers gebruiken om een ​​breed scala aan verschijnselen te beschrijven en te begrijpen.

scheren, bijvoorbeeld, is een verstorende factor voor kritieke toegepaste problemen, zoals het voorspellen van de verspreiding van rook van enorme bosbranden. Rook van branden zoals die onlangs in Californië hebben plaatsgevonden, kan duizenden kilometers van de bron worden verspreid en bijdragen aan problemen met de luchtkwaliteit.

"Deze modellen zijn echt nuttig om systemen te begrijpen waar de stroom snel is, " zegt Adrian Fraser, een afgestudeerde natuurkundestudent aan de Universiteit van Wisconsin-Madison en de hoofdauteur van een maandag gepubliceerde studie, 10 december in het journaal Fysica van plasma's .

Maar zelfs door 's werelds krachtigste supercomputers te gebruiken in een show van brute kracht, bepaalde fenomenen zijn te complex en dynamisch om op betrouwbare wijze in silico te worden nagebootst.

Wetenschappers hebben geprobeerd het probleem te omzeilen door hun modellen te vereenvoudigen en te ontleden om naar elementen van een systeem te kijken in de hoop dat ze opnieuw in elkaar kunnen worden gezet om het geheel te verklaren. Maar daarbij, Fraser-aantekeningen, onderzoekers hebben misschien een gemeenschappelijk collectief effect over het hoofd gezien dat niet alleen invloed heeft op de dynamiek van een systeem, maar, volgens het nieuwe onderzoek lijkt een handig handvat te zijn om de digitale recreatie van fenomenen zoals de verspreiding van warmte en chemicaliën in een systeem aanzienlijk te vereenvoudigen - problemen die nu zelfs de krachtigste supercomputers overweldigen.

Met behulp van die ultramoderne supercomputers, Het Frasers-team, waaronder UW-Madison natuurkunde professoren Paul Terry en Ellen Zweibel samen met MJ Pueschel van de Universiteit van Texas, hebben gekeken naar hoe turbulentie zich gedurende lange perioden afspeelt wanneer de bewegingen een component bevatten die normaal gesproken zeer snel wegsterft. Als we het systeem in detail bekijken, de onderzoekers merkten op dat deze schijnbaar voorbijgaande component in de loop van de tijd wordt versterkt en een grotere invloed uitoefent dan bekend was.

"Dit is de enige collectieve beweging waarvan werd aangenomen dat deze er niet toe doet in deze systemen. We hebben laten zien dat het er wel toe doet, " zegt Fraser. "En door dat op te merken, we waren in staat om bestaande modellen drastisch te verbeteren voor hoe shear-flow turbulentie verandert in verschillende systemen."

De meeste eerdere onderzoeken waren gericht op het weergeven van bewegingen met componenten die niet wegsterven omdat ze in plaats daarvan direct worden aangedreven door de afschuiving.

Meten hoe warmte of kleurstof diffundeert in een stationaire vloeistof is eenvoudig, Fraser legt uit, maar "als de vloeistof turbulent is, is het echt moeilijk om erachter te komen hoe de kleurstof of warmte van het ene deel van het fluïdum naar het andere deel diffundeert vanwege alle gecompliceerde bewegingen die optreden in turbulentie."

Door het systeem weer te geven met zowel groeiende als afnemende bewegingen, het is gemakkelijker om het hele plaatje te zien en het systeem voor modellering aanzienlijk te vereenvoudigen.

"Het eindresultaat is een eenvoudig model dat resultaten voorspelt die zeer consistent zijn met de enorme simulaties die we hebben uitgevoerd, " zegt Fraser, opmerkend dat voorheen hardnekkige problemen voor het ontwerpen van fusie-experimenten, het verbeteren van weermodellen, en het begrijpen van astrofysische fenomenen zoals stervorming zal gemakkelijker worden aangepakt zonder de noodzaak van dure supercomputers.

Vjatsjeslav Loekin, programmadirecteur Plasmafysica en Acceleratorwetenschap bij de National Science Foundation, zegt dat de nieuwe studie de onderzoeksgemeenschap zal helpen om complexe plasmafysica-problemen op te lossen. "Verdere vooruitgang bij het nauwkeurig modelleren van grootschalige plasmasystemen hangt in grote mate af van ons vermogen om analytische methoden te combineren met zeer betrouwbare directe numerieke simulaties, en deze nieuwe resultaten zouden ons moeten helpen om een ​​volgende stap in die richting te maken."