Een complex weerfenomeen dat onderzoekers sinds de negentiende eeuw in verwarring heeft gebracht, kan nu nauwkeurig worden gemodelleerd met behulp van een computersimulatieraamwerk dat is ontwikkeld door KAUST.

Een minder bekend aspect van zandstormen is dat ze elektrische velden van grote omvang kunnen opwekken die communicatieapparatuur kunnen verstoren. Recente studies hebben aangetoond dat zand statische elektriciteit kan opnemen door botsingen die plaatsvinden in de buurt van de grond. Minder zeker, Hoewel, is hoe het geëlektrificeerde zand zich eenmaal in de lucht gedraagt. De waargenomen veldsterkten vereisen een manier om tegengesteld geladen deeltjes op grote schaal van elkaar te scheiden.

Ravi Samtaney en zijn team bij KAUST realiseerden zich dat, omdat er maar heel weinig botsingen plaatsvinden tussen zanddeeltjes in de atmosfeer, een ander fysiek mechanisme zou achter de vorming van elektrische velden kunnen zitten. Ze stelden voor dat turbulentie - stochastische beweging van zanddeeltjes ingebed in de luchtstroom - ervoor zou kunnen zorgen dat zandkorrels spontaan scheiden. Deze theorie bewijzen, echter, zou een manier vereisen om een ​​probleem met veel dynamische variabelen te vereenvoudigen.

"Het oplossen van al die zanddeeltjes en turbulente bewegingen zou onrealistische rekenkracht vereisen, "zegt Samtaney. "Dus we gebruiken wat een simulatie met grote wervels wordt genoemd, waar de kleine fluctuaties worden afgevlakt en alleen grote blijven. We situeren het model in de zandstorm, gedurende enkele minuten of uren, om te zien wat statistisch stabiel is."

Als onderdeel van zijn Ph.D. Onderzoek, Mustafa Rahman sloot zich aan bij Samtaney's groep om dit probleem aan te pakken. Hij hielp bij het ontwikkelen van een benadering waarbij de turbulente wervelingen van zandstormen worden gemodelleerd in een virtuele doos die zich uitstrekt van grondniveau tot kilometerschaalhoogten in de atmosfeer. Ze controleerden de kracht van de zandstorm met een algoritme dat verschillende dichtheden van geladen deeltjes in de doos introduceert, net boven de woestijnbodem.

"Bij de grond, de turbulente lucht wordt gekoppeld aan het zandtransport en ze beïnvloeden elkaar, ", zegt Rahman. "Deze mechanismen zijn lastig te modelleren met conventionele technieken."

Het team heeft maandenlang gemodelleerd en gecodeerd op Shaheen-II, KAUST's enorm parallelle supercomputer, om de grote wervelingen voldoende gedetailleerd op te lossen. Hun berekeningen onthulden dat kleinere korrels de neiging hadden om de turbulente stroming te volgen, maar grotere korrels niet. Omdat de twee grootteklassen van zandkorrels tegengestelde ladingen hadden, deze op turbulentie gebaseerde scheiding creëerde een elektrisch veld dat zichzelf in stand hield en verdere ladingsscheiding versterkte, uiteindelijk produceren van elektrische velden in de buurt van enkele honderdduizenden volt per meter, die nauwkeurig overeenkomen met veldmetingen.

"Door de elektrische veldmetingen te reproduceren, kan ons simulatieraamwerk worden gebruikt als een voorspellend hulpmiddel, zelfs voor rovers en satellieten die te maken hebben met stofduivels op Mars, ' zegt Samtaney.