För forskare som brottas med så olika problem som att innehålla superhot plasma i en fusionsreaktor, förbättra noggrannheten i väderprognoser, eller undersöka den oförklarliga dynamiken i en avlägsen galax, turbulens-gytande skjuvflöde är en allvarlig komplicerande faktor.

Enkelt uttryckt, skjuvflöde uppstår när två vätskor - där vätskor är en vätska, en gas eller en plasma (den amorfa superhotgasen som utgör stjärnor som vår sol eller som förekommer i en fusionsanordning) - passerar varandra, till exempel när vinden flyter över en sjö eller heta gasstrålar från en galax. Det turbulenta kaos som uppstår som ett resultat av de interagerande vätskorna kan vara oerhört svårt att återskapa i de numeriska modeller forskare använder för att beskriva och förstå ett brett spektrum av fenomen.

Klippa, till exempel, är en förvirrande faktor för kritiska tillämpade problem som att förutsäga spridning av rök från massiva skogsbränder. Rök från bränder som sådana som nyligen inträffade i Kalifornien kan spridas i stor utsträckning tusentals mil från källan och bidra till problem med luftkvalitet.

"Dessa modeller är verkligen till hjälp för att förstå system där flödet är snabbt, säger Adrian Fraser, en doktorand i fysik vid University of Wisconsin-Madison och huvudförfattaren till en studie som publicerades på måndag, 10 december i tidningen Plasmas fysik .

Men även med världens mest kraftfulla superdatorer i en uppvisning av brutal kraft, vissa fenomen är för komplexa och dynamiska för att på ett tillförlitligt sätt kunna återskapas i siliko.

Forskare har försökt att komma runt problemet genom att förenkla och analysera sina modeller för att titta på element i ett system i hopp om att de kan återmonteras för att redogöra för helheten. Men genom att göra det, Fraser noterar, forskare kan ha förbisett en gemensam kollektiv effekt som inte bara har inflytande på dynamiken i ett system, men, enligt den nya forskningen, verkar vara ett bekvämt handtag för att förenkla den digitala återskapandet av fenomen som spridning av värme och kemikalier i ett system - problem som nu överväldigar även de mest kraftfulla superdatorer.

Med hjälp av de toppmoderna superdatorer, Frasers team, inklusive UW-Madison fysikprofessorer Paul Terry och Ellen Zweibel tillsammans med MJ Pueschel från University of Texas, tittade på hur turbulens spelar ut under långa perioder när dess rörelser innehåller en komponent som normalt dör bort mycket snabbt. När man tittar på systemet i detalj, forskarna observerade att denna till synes övergående komponent förstärks över tiden och utövar större inflytande än vad som var känt.

"Detta är den enda kollektiva rörelsen som hade antagits att inte spela någon roll i dessa system. Vi visade att det spelar roll, "säger Fraser." Och genom att notera det, vi kunde dramatiskt förbättra befintliga modeller för hur skjuvflödesturbulens förändras i olika system. "

De flesta tidigare studier fokuserade på att representera rörelser med komponenter som inte dör bort eftersom de istället drivs direkt av skjuvningen.

Att mäta hur värme eller färgämne diffunderar i en stationär vätska är enkelt, Fraser förklarar, men "om vätskan är turbulent är det verkligen svårt att räkna ut hur färgämnet eller värmen diffunderar från en del av vätskan till en annan del på grund av alla de komplicerade rörelser som uppstår i turbulens."

Genom att representera systemet med både växande och förfallna rörelser, det är lättare att se hela bilden och förenkla systemet för modellering avsevärt.

"Slutresultatet är en enkel modell som förutspår resultat som är mycket förenliga med de massiva simuleringar vi utförde, säger Fraser, noterar att tidigare svårlösliga problem för att designa fusionsexperiment, förbättra vädermodeller, och förstå astrofysiska fenomen som stjärnbildning kommer lättare att hanteras utan att det behövs dyra superdatorer.

Vyacheslav Lukin, programdirektör för plasmafysik och acceleratorvetenskap vid National Science Foundation, säger att den nya studien kommer att hjälpa forskarsamhället att fortsätta lösa komplexa plasmafysikproblem. "Ytterligare framsteg i att exakt modellera storskaliga plasmasystem beror kritiskt på vår förmåga att kombinera analytiska metoder med high fidelity-numeriska simuleringar, och dessa nya resultat bör hjälpa oss att ta ytterligare ett steg i den riktningen. "