À medida que uma onda do oceano bate na praia, ela contém inúmeros redemoinhos e redemoinhos. A água do mar forma padrões complexos em cada nível, desde as ondas que os surfistas pegam até ondulações muito pequenas e rápidas para serem percebidas pelo olho humano. Cada movimento desencadeia outro conjunto de movimentos, caindo em cascata através de camadas de água.



O que é meramente cênico em uma praia é essencial para os cientistas entenderem. Descrever com mais precisão como o calor se move através do oceano poderia ajudar os cientistas a desenvolver modelos computacionais melhores e mais precisos do clima da Terra. Compreender a turbulência – o movimento irregular de fluidos – no oceano ajudaria os investigadores a resolver este problema.

Cientistas da Universidade de Cambridge e da Universidade de Massachusetts Amherst usaram o supercomputador Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) do Departamento de Energia para executar um novo modelo de turbulência oceânica. (O OLCF é uma instalação de usuário do DOE Office of Science.) O trabalho foi publicado no Journal of Turbulence .

O computador simulou um cubo genérico de 10 metros de água do oceano. Embora não pareça muito grande, apenas este pequeno pedaço de oceano é incrivelmente complexo. Para analisar alterações até ao centímetro, o programa simula o cubo de água numa grelha digital. Este cubo digital era composto por quase 4 trilhões de pontos de grade.

Com o modelo, os cientistas analisaram como a turbulência influencia o calor que se move através da água do mar. No oceano real, o sol aquece a água na superfície. A água fria fica no fundo do oceano. O calor se dispersa pelas diferentes camadas de água, mas não é uma série de mudanças consistentes ou pequenas. A água é uma combinação de áreas relativamente calmas e áreas que se misturam vigorosamente de vez em quando. A inconsistência da turbulência é uma das coisas que a torna tão complicada.

Este novo modelo foi a simulação mais detalhada desses processos até então. Anteriormente, os computadores simplesmente não eram poderosos o suficiente para lidar com camadas e mais camadas de complexidade e capturar o movimento em uma vasta gama de escalas.

Para lidar com essas limitações, os modelos anteriores reuniram todas as ações que aconteciam em diferentes partes da água numa medição média. Além disso, eles usaram um valor baixo de uma relação que é importante para medir a turbulência e a dissipação de calor em fluxos oceânicos realistas. Mas isso confundiu as mudanças individuais e seus efeitos.

Em contraste, o novo modelo utilizou um valor de razão muito mais elevado e mostrou como a turbulência ocorre em condições realistas. Permitiu aos cientistas rastrear a onda inicial de turbulência e depois segui-la até que desaparecesse. O novo modelo também permitiu ampliar diferentes camadas para examinar detalhes específicos.

Os dados destas novas simulações desafiam algumas teorias de longa data sobre turbulência. Anteriormente, os cientistas pensavam que os fluidos frios e quentes se misturavam aproximadamente na mesma proporção. O modelo sugere que os fluidos mais quentes se misturam mais lentamente do que o impulso da turbulência.

Além de melhorar os modelos climáticos, esta informação pode fornecer informações sobre outras áreas influenciadas pela dinâmica dos fluidos. Pode ajudar os cientistas a compreender melhor como a poluição se espalha pela água ou pelo ar. Isso é importante para os cientistas que trabalham para ajudar as comunidades e ecossistemas afetados pela poluição.

Com o supercomputador Frontier ainda mais poderoso agora disponível no OLCF, os cientistas deste projeto esperam expandir ainda mais a sua compreensão deste tópico complexo. As ondas do oceano são lindas, mas também o são os dados que nos ajudam a compreendê-las.

Mais informações: James J. Riley et al, O efeito do número de Prandtl na turbulência estratificada em decomposição, Journal of Turbulence (2023). DOI:10.1080/14685248.2023.2178654
Fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA