Ett komplext väderfenomen som har förbryllat forskare sedan 1800-talet kan nu modelleras exakt med hjälp av ett datorsimuleringsramverk utvecklat vid KAUST.

En mindre känd aspekt av sandstormar är att de kan generera elektriska fält med hög magnitud som kan störa kommunikationsutrustning. Nyligen genomförda studier har visat att sand kan ta upp statisk elektricitet genom kollisioner som sker nära marken. Mindre säker, fastän, är hur den elektrifierade sanden beter sig när den är luftburen. De observerade fältstyrkorna kräver några sätt att separera motsatt laddade partiklar från varandra över stora skalor.

Ravi Samtaney och hans team på KAUST insåg att eftersom väldigt få kollisioner äger rum mellan sandpartiklar i atmosfären, en annan fysisk mekanism kan ligga bakom bildandet av elektriska fält. De föreslog att turbulens - stokastisk rörelse av sandpartiklar inbäddade i luftflödet - kan orsaka att sandkorn spontant separeras. Bevisar denna teori, dock, skulle kräva något sätt att förenkla ett problem med många dynamiska variabler.

"Att lösa alla dessa sandpartiklar och turbulenta rörelser skulle kräva orealistisk beräkningskraft, " säger Samtaney. "Så vi använder vad som kallas en simulering med stor virvel, där de små svängningarna jämnas ut och bara stora återstår. Vi placerar modellen inne i sandstormen, i flera minuter eller timmar, för att se vad som är statistiskt stabilt."

Som en del av sin doktorsexamen. forskning, Mustafa Rahman gick med i Samtaneys grupp för att ta itu med detta problem. Han hjälpte till att utveckla ett tillvägagångssätt där de turbulenta virvlarna av sandstormar modelleras inuti en virtuell låda som sträcker sig från marknivå till kilometerskaliga höjder i atmosfären. De kontrollerade sandstormens styrka med en algoritm som introducerar olika densiteter av laddade partiklar i lådan, strax ovanför ökengolvet.

"Nära marken, den turbulenta luften kopplas ihop med sandtransporten och de påverkar varandra, " säger Rahman. "Dessa mekanismer är svåra att modellera med konventionella tekniker."

Teamet tillbringade månader av modellering och kodning på Shaheen-II, KAUSTs massivt parallella superdator, för att lösa de stora virvlarna tillräckligt detaljerat. Deras beräkningar visade att mindre korn tenderade att följa det turbulenta flödet, men större korn gjorde det inte. Eftersom de två storleksklasserna av sandkorn hade motsatta laddningar, denna turbulensbaserade separation skapade ett elektriskt fält som upprätthöll sig självt och förstärkte ytterligare laddningsseparation, som slutligen producerar elektriska fält nära flera hundra tusen volt per meter, som exakt matchar fältmätningar.

"Att återskapa de elektriska fältmätningarna innebär att vårt simuleringsramverk kan användas som ett prediktivt verktyg, även för rovers och satelliter som hanterar stoftdjävlar på Mars, säger Samtaney.