Para cientistas que lutam com problemas tão diversos como conter plasma superquente em um reator de fusão, melhorando a precisão das previsões do tempo, ou sondando a dinâmica inexplicável de uma galáxia distante, o fluxo de cisalhamento de desova turbulência é um fator complicador sério.

Simplificando, fluxo de cisalhamento ocorre quando dois fluidos - onde os fluidos são um líquido, um gás ou um plasma (o gás superquente amorfo que forma estrelas como o nosso Sol ou que ocorre em um dispositivo de fusão) - passam um pelo outro, como quando o vento flui sobre um lago ou jatos de gás quente de uma galáxia. O caos turbulento que ocorre como resultado da interação dos fluidos pode ser extremamente difícil de recriar nos modelos numéricos que os cientistas usam para descrever e compreender uma ampla gama de fenômenos.

Cisalhamento, por exemplo, é um fator de confusão para problemas críticos aplicados, como a previsão da difusão de fumaça de incêndios florestais massivos. A fumaça de incêndios como os que ocorreram recentemente na Califórnia pode ser amplamente dispersa a milhares de quilômetros da fonte e contribuir para problemas de qualidade do ar.

"Esses modelos são realmente úteis para entender sistemas em que o fluxo é rápido, "diz Adrian Fraser, um estudante de graduação em física da Universidade de Wisconsin-Madison e o principal autor de um estudo publicado na segunda-feira, 10 de dezembro no jornal Física dos Plasmas .

Mas mesmo usando os supercomputadores mais poderosos do mundo em uma demonstração de força bruta, certos fenômenos são muito complexos e dinâmicos para serem recriados in silico com segurança.

Os cientistas tentaram contornar o problema simplificando e analisando seus modelos para examinar os elementos de um sistema na esperança de que eles possam ser remontados para dar conta do todo. Mas ao fazer isso, Fraser observa, pesquisadores podem ter esquecido um efeito coletivo comum que não apenas influencia a dinâmica de um sistema, mas, de acordo com a nova pesquisa, parece ser uma alça conveniente para simplificar muito a recriação digital de fenômenos como a propagação de calor e produtos químicos em um sistema - problemas que agora oprimem até mesmo os supercomputadores mais poderosos.

Usando esses supercomputadores de última geração, Equipe de Fraser, incluindo os professores de física da UW-Madison, Paul Terry e Ellen Zweibel, juntamente com MJ Pueschel, da Universidade do Texas, vimos como a turbulência se desenvolve em longos períodos de tempo quando seus movimentos incluem um componente que normalmente morre muito rapidamente. Olhando o sistema em detalhes, os pesquisadores observaram que esse componente aparentemente transitório é amplificado com o tempo e exerce maior influência do que se conhecia.

"Esta é a única moção coletiva que se presumia não ter importância nesses sistemas. Mostramos que isso importa, "diz Fraser." E ao notar isso, fomos capazes de melhorar drasticamente os modelos existentes de como a turbulência do fluxo de cisalhamento muda em diferentes sistemas. "

A maioria dos estudos anteriores concentrou-se na representação de movimentos com componentes que não morrem porque, em vez disso, são direcionados diretamente pelo cisalhamento.

Medir como o calor ou a tinta se difunde em um fluido estacionário é simples, Fraser explica, mas "se o fluido é turbulento, é realmente difícil descobrir como a tinta ou o calor se difunde de uma parte do fluido para outra por causa de todos os movimentos complicados que ocorrem na turbulência."

Ao representar o sistema com movimentos crescentes e decrescentes, é mais fácil ver a imagem completa e simplificar muito o sistema de modelagem.

"O resultado final é um modelo simples que prevê resultados muito consistentes com as simulações massivas que realizamos, "diz Fraser, observando que problemas anteriormente intratáveis ​​para projetar experimentos de fusão, melhorando os modelos meteorológicos, e compreender fenômenos astrofísicos, como a formação de estrelas, será mais facilmente abordado sem a necessidade de supercomputadores caros.

Vyacheslav Lukin, diretor do programa de Plasma Physics and Accelerator Science na National Science Foundation, diz que o novo estudo ajudará a comunidade de pesquisa a continuar a resolver problemas complexos da física do plasma. "O progresso adicional na modelagem precisa de sistemas de plasma em grande escala depende criticamente de nossa capacidade de combinar métodos analíticos com simulações numéricas diretas de alta fidelidade, e esses novos resultados devem nos ajudar a dar mais um passo nessa direção. "