Als een oceaangolf tegen een strand aanslaat, bevat deze ontelbare wervelingen en draaikolken. Het zeewater vormt op elk niveau complexe patronen, van de golven die surfers opvangen tot rimpelingen die te klein en snel zijn om met het menselijk oog waar te nemen. Elke beweging veroorzaakt een nieuwe reeks bewegingen, die door waterlagen lopen.

Wat alleen maar schilderachtig is op een strand, is essentieel voor wetenschappers om te begrijpen. Door nauwkeuriger te beschrijven hoe warmte door de oceaan beweegt, kunnen wetenschappers betere, nauwkeurigere computermodellen van het klimaat op aarde ontwikkelen. Het begrijpen van turbulentie (de onregelmatige beweging van vloeistoffen) in de oceaan zou onderzoekers kunnen helpen dit probleem op te lossen.

Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge en de Universiteit van Massachusetts Amherst gebruikten de Summit-supercomputer van de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) van het Department of Energy om een ​​nieuw model van oceaanturbulentie uit te voeren. (De OLCF is een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science.) Het werk is gepubliceerd in het Journal of Turbulence .

De computer simuleerde een generieke kubus van 10 meter oceaanwater. Hoewel dit niet erg groot lijkt, is juist dit kleine stukje oceaan ongelooflijk complex. Om veranderingen tot op de centimeter te analyseren, simuleert het programma de kubus van water op een digitaal raster. Deze digitale kubus bestond uit bijna 4 biljoen rasterpunten.

Met het model analyseerden de wetenschappers hoe turbulentie de warmte beïnvloedt die door zeewater beweegt. In de echte oceaan verwarmt de zon het water aan de oppervlakte. Koud water bevindt zich op de bodem van de oceaanbodem. De warmte verspreidt zich door de verschillende waterlagen, maar het is geen reeks consistente of kleine veranderingen. Het water is een combinatie van relatief stille gebieden en gebieden die af en toe krachtig vermengen. De inconsistentie van turbulentie is een van de dingen die het zo ingewikkeld maakt.

Dit nieuwe model was de meest gedetailleerde simulatie van deze processen tot nu toe. Voorheen waren computers simpelweg niet krachtig genoeg om de lagen van complexiteit aan te kunnen en de beweging op een breed scala aan schaalniveaus vast te leggen.

Om met deze beperkingen om te gaan, hebben eerdere modellen alle acties die in verschillende delen van het water plaatsvonden, samengevoegd tot één gemiddelde meting. Bovendien gebruikten ze een lage waarde van een verhouding die belangrijk is voor het meten van de turbulentie en de warmteafvoer in realistische oceaanstromen. Maar dat bracht de individuele veranderingen en hun effecten in de war.

Het nieuwe model gebruikte daarentegen een veel hogere waarde van de verhouding en liet zien hoe de turbulentie onder realistische omstandigheden optreedt. Het stelde de wetenschappers in staat de eerste golf van turbulentie te volgen en deze vervolgens te volgen totdat deze verdween. Dankzij het nieuwe model konden ze ook inzoomen op verschillende lagen om specifieke details te onderzoeken.

De gegevens uit deze nieuwe simulaties dagen een aantal al lang bestaande theorieën over turbulentie uit. Eerder dachten wetenschappers dat koude en hete vloeistoffen ongeveer even snel met elkaar vermengen. Het model suggereert dat de hetere vloeistoffen langzamer mengen dan het momentum van de turbulentie.

Naast het verbeteren van klimaatmodellen kan deze informatie inzicht verschaffen in andere gebieden die worden beïnvloed door de vloeistofdynamica. Het kan wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe vervuiling zich via water of lucht verspreidt. Dat is belangrijk voor wetenschappers die zich inzetten om gemeenschappen en ecosystemen te helpen die getroffen zijn door vervuiling.

Nu de nog krachtigere Frontier-supercomputer beschikbaar is bij OLCF, hopen de wetenschappers van dit project hun begrip van dit complexe onderwerp verder uit te breiden. De golven in de oceaan zijn prachtig, maar dat geldt ook voor de gegevens die ons helpen ze te begrijpen.

Meer informatie: James J. Riley et al, Het effect van het Prandtl-getal op afnemende gestratificeerde turbulentie, Journal of Turbulence (2023). DOI:10.1080/14685248.2023.2178654

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie