Per gli scienziati alle prese con problemi diversi come il contenimento di plasma supercaldo in un reattore a fusione, migliorare l'accuratezza delle previsioni meteorologiche, o sondare le dinamiche inspiegabili di una galassia lontana, Il flusso di taglio che genera turbolenza è un serio fattore di complicazione.

In poche parole, il flusso di taglio si verifica quando due fluidi, dove i fluidi sono un liquido, un gas o un plasma (il gas amorfo supercaldo che costituisce le stelle come il nostro sole o che si trova in un dispositivo di fusione) - passano l'uno dall'altro come quando il vento scorre su un lago o i getti di gas caldo da una galassia. Il caos turbolento che si verifica a causa dell'interazione dei fluidi può essere estremamente difficile da ricreare nei modelli numerici utilizzati dagli scienziati per descrivere e comprendere un'ampia gamma di fenomeni.

taglio, ad esempio, è un fattore di confusione per problemi applicati critici come la previsione della diffusione del fumo da incendi boschivi massicci. Il fumo degli incendi come quelli che si sono verificati di recente in California può essere ampiamente disperso a migliaia di chilometri dalla fonte e contribuire a problemi di qualità dell'aria.

"Questi modelli sono davvero utili per comprendere i sistemi in cui il flusso è veloce, "dice Adrian Fraser, uno studente laureato in fisica dell'Università del Wisconsin-Madison e l'autore principale di uno studio pubblicato lunedì, 10 dicembre nel diario Fisica dei Plasmi .

Ma anche usando i supercomputer più potenti del mondo in uno spettacolo di forza bruta, alcuni fenomeni sono troppo complessi e dinamici per essere ricreati in modo affidabile in silico.

Gli scienziati hanno cercato di aggirare il problema semplificando e analizzando i loro modelli per esaminare gli elementi di un sistema nella speranza che possano essere riassemblati per tenere conto del tutto. Ma così facendo, note di Fraser, i ricercatori possono aver trascurato un effetto collettivo comune che non solo ha un'influenza sulle dinamiche di un sistema, ma, secondo la nuova ricerca, sembra essere una comoda maniglia per semplificare notevolmente la ricreazione digitale di fenomeni come la diffusione di calore e sostanze chimiche in un sistema, problemi che ora travolgono anche i supercomputer più potenti.

Usando quei supercomputer all'avanguardia, La squadra di Fraser, tra cui i professori di fisica UW-Madison Paul Terry e Ellen Zweibel insieme a MJ Pueschel dell'Università del Texas, ha osservato come si sviluppa la turbolenza per lunghi periodi di tempo quando i suoi movimenti includono un componente che normalmente si estingue molto rapidamente. Guardando il sistema in dettaglio, i ricercatori hanno osservato che questa componente apparentemente transitoria viene amplificata nel tempo ed esercita un'influenza maggiore di quanto si sapesse.

"Questo è l'unico movimento collettivo che si presumeva non avesse importanza in questi sistemi. Abbiamo dimostrato che ha importanza, " dice Fraser. "E notando questo, siamo stati in grado di migliorare notevolmente i modelli esistenti per il modo in cui la turbolenza del flusso di taglio cambia in diversi sistemi".

La maggior parte degli studi precedenti si è concentrata sulla rappresentazione dei movimenti con componenti che non muoiono perché sono invece guidati direttamente dal taglio.

Misurare come il calore o il colorante si diffondono in un fluido stazionario è semplice, Fraser spiega, ma "se il fluido è turbolento è davvero difficile capire come il colorante o il calore si diffondono da una parte all'altra del fluido a causa di tutti i movimenti complicati che si verificano in turbolenza".

Rappresentando il sistema con movimenti sia crescenti che decrescenti, è più facile vedere l'intera immagine e semplificare notevolmente il sistema per la modellazione.

"Il risultato finale è un modello semplice che prevede risultati molto coerenti con le massicce simulazioni che abbiamo eseguito, "dice Fraser, osservando che problemi precedentemente intrattabili per la progettazione di esperimenti di fusione, miglioramento dei modelli meteorologici, e la comprensione dei fenomeni astrofisici come la formazione stellare sarà affrontata più facilmente senza la necessità di costosi supercomputer.

Vyacheslav Lukin, direttore del programma per la fisica del plasma e la scienza degli acceleratori presso la National Science Foundation, afferma che il nuovo studio aiuterà la comunità di ricerca a continuare a risolvere complessi problemi di fisica del plasma. "Ulteriori progressi nella modellazione accurata di sistemi al plasma su larga scala dipendono in modo critico dalla nostra capacità di combinare metodi analitici con simulazioni numeriche dirette ad alta fedeltà, e questi nuovi risultati dovrebbero aiutarci a fare un altro passo in quella direzione".