Figura 1 O domínio de simulação (SD). A altura da camada limite atmosférica δ é modelada como um fluxo turbulento de meio-canal com condições periódicas streamwise e spanwise. O limite inferior é modelado como uma parede virtual (VW) na altura ε (≪ δ).
Um fenômeno climático complexo que intrigou os pesquisadores desde o século XIX pode agora ser modelado com precisão usando uma estrutura de simulação de computador desenvolvida na KAUST.
Um aspecto menos conhecido das tempestades de areia é que elas podem gerar campos elétricos de alta magnitude, capazes de interromper o equipamento de comunicação. Estudos recentes mostraram que a areia pode pegar eletricidade estática por meio de colisões que ocorrem perto do solo. Menos certo, no entanto, é como a areia eletrificada se comporta uma vez no ar. As intensidades de campo observadas requerem alguns meios de separar partículas com cargas opostas umas das outras em grandes escalas.
Ravi Samtaney e sua equipe da KAUST perceberam que, como muito poucas colisões ocorrem entre partículas de areia na atmosfera, outro mecanismo físico pode estar por trás da formação do campo elétrico. Eles propuseram que a turbulência - movimento estocástico de partículas de areia embutidas no fluxo de ar - pode fazer com que os grãos de areia se separem espontaneamente. Provando esta teoria, Contudo, exigiria alguns meios de simplificar um problema com muitas variáveis dinâmicas.
"Resolver todas aquelas partículas de areia e movimentos turbulentos exigiria poder computacional irreal, "diz Samtaney." Então, usamos o que é chamado de simulação de grande redemoinho, onde as pequenas flutuações são suavizadas e apenas as grandes permanecem. Estamos situando o modelo dentro da tempestade de areia, por vários minutos ou horas, para ver o que é estatisticamente estável. "
Como parte de seu Ph.D. pesquisar, Mustafa Rahman juntou-se ao grupo de Samtaney para resolver este problema. Ele ajudou a desenvolver uma abordagem em que os redemoinhos turbulentos de tempestades de areia são modelados dentro de uma caixa virtual que se estende do nível do solo a alturas em escala de quilômetros na atmosfera. Eles controlaram a força da tempestade de areia com um algoritmo que introduz diferentes densidades de partículas carregadas na caixa, logo acima do solo do deserto.
"Perto do solo, o ar turbulento torna-se acoplado ao transporte de areia e eles influenciam um ao outro, "diz Rahman." Esses mecanismos são difíceis de modelar com técnicas convencionais. "
A equipe passou meses modelando e codificando no Shaheen-II, O supercomputador maciçamente paralelo da KAUST, para resolver os grandes redemoinhos com detalhes suficientes. Seus cálculos revelaram que grãos de menor tamanho tendiam a seguir o fluxo turbulento, mas os grãos maiores não. Como as duas classes de tamanho de grãos de areia tinham cargas opostas, esta separação baseada em turbulência criou um campo elétrico que se sustentou e reforçou ainda mais a separação de carga, em última análise, produzindo campos elétricos próximos a várias centenas de milhares de volts por metro, que correspondem com precisão às medições de campo.
"A reprodução das medições do campo elétrico significa que nossa estrutura de simulação pode ser usada como uma ferramenta preditiva, mesmo para rovers e satélites que lidam com redemoinhos de poeira em Marte, "diz Samtaney.
