När en havsvåg slår sig mot en strand innehåller den otaliga virvlar och virvlar. Havsvattnet bildar komplexa mönster på varje nivå, från vågorna som surfare fångar till krusningar för små och snabba för det mänskliga ögat att lägga märke till. Varje rörelse sätter igång ytterligare en uppsättning rörelser, som faller genom vattenlager.
Vad som bara är naturskönt på en strand är viktigt för forskare att förstå. Att beskriva mer exakt hur värme rör sig genom havet kan hjälpa forskare att utveckla bättre, mer exakta datormodeller av jordens klimat. Att förstå turbulens – den oregelbundna rörelsen av vätskor – i havet skulle hjälpa forskare att lösa detta problem.
Forskare vid University of Cambridge och University of Massachusetts Amherst använde superdatorn Summit vid Department of Energys Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) för att köra en ny modell av havsturbulens. (OLCF är en DOE Office of Science-användaranläggning.) Arbetet publiceras i Journal of Turbulence .
Datorn simulerade en generisk 10-meters kub av havsvatten. Även om detta inte verkar särskilt stort, är bara denna lilla del av havet otroligt komplex. För att analysera förändringar ner till centimetern simulerar programmet vattenkuben på ett digitalt rutnät. Den här digitala kuben bestod av nästan 4 biljoner rutnätspunkter.
Med modellen analyserade forskarna hur turbulens påverkar värme som rör sig genom havsvatten. I det riktiga havet värmer solen vatten på ytan. Kallt vatten sitter på botten av havsbotten. Värmen sprids genom de olika lagren av vatten, men det är inte en serie konsekventa eller små förändringar. Vattnet är en kombination av relativt stilla områden och områden som blandas kraftigt då och då. Turbulensens inkonsekvens är en av de saker som gör det så komplicerat.
Denna nya modell var den mest detaljerade simuleringen av dessa processer hittills. Tidigare var datorer helt enkelt inte tillräckligt kraftfulla för att hantera skikten på skikten av komplexitet och fånga rörelsen på ett stort antal skalor.
För att hantera dessa begränsningar kollapsade tidigare modeller alla handlingar som hände i olika delar av vattnet till en genomsnittlig mätning. Dessutom använde de ett lågt värde på ett förhållande som är viktigt för att mäta turbulens och värmeavledning i realistiska havsflöden. Men det förvirrade de individuella förändringarna och deras effekter.
Däremot använde den nya modellen ett mycket högre värde på förhållandet och visade hur turbulensen uppstår under realistiska förhållanden. Det gjorde det möjligt för forskarna att spåra den initiala vågen av turbulens och sedan följa den tills den försvann. Den nya modellen gjorde det också möjligt för dem att zooma in i olika lager för att undersöka specifika detaljer.
Data från dessa nya simuleringar utmanar några långvariga teorier om turbulens. Tidigare trodde forskare att kalla och varma vätskor blandas in i varandra i ungefär samma hastighet. Modellen antyder att de hetare vätskorna blandas långsammare än turbulensen.
Förutom att förbättra klimatmodellerna kan denna information ge inblick i andra områden som påverkas av vätskedynamik. Det kan hjälpa forskare att bättre förstå hur föroreningar sprider sig genom vatten eller luft. Det är viktigt för forskare som arbetar för att hjälpa samhällen och ekosystem som påverkas av föroreningar.
Med den ännu kraftfullare Frontier-superdatorn som nu finns tillgänglig på OLCF, hoppas forskarna i detta projekt kunna utöka sin förståelse av detta komplexa ämne ytterligare. Vågorna i havet är vackra, men det är också data som hjälper oss att förstå dem.
Mer information: James J. Riley et al, Effekten av Prandtl-tal på avklingande stratifierad turbulens, Journal of Turbulence (2023). DOI:10.1080/14685248.2023.2178654
Tillhandahålls av US Department of Energy
