Figura 1 Il dominio di simulazione (SD). L'altezza dello strato limite atmosferico è modellata come un flusso turbolento a semicanale con condizioni periodiche sia a flusso che a larghezza. Il limite inferiore è modellato come un muro virtuale (VW) all'altezza ε ( ≪ δ ).
Un complesso fenomeno meteorologico che ha lasciato perplessi i ricercatori fin dal diciannovesimo secolo può ora essere accuratamente modellato utilizzando una struttura di simulazione al computer sviluppata presso KAUST.
Un aspetto meno noto delle tempeste di sabbia è che possono generare campi elettrici di grande magnitudo in grado di interrompere le apparecchiature di comunicazione. Recenti studi hanno dimostrato che la sabbia può raccogliere elettricità statica attraverso collisioni che avvengono vicino al suolo. Meno sicuro, anche se, ecco come si comporta la sabbia elettrificata una volta in volo. Le intensità di campo osservate richiedono alcuni mezzi per separare le particelle di carica opposta l'una dall'altra su larga scala.
Ravi Samtaney e il suo team alla KAUST si sono resi conto che, poiché si verificano pochissime collisioni tra le particelle di sabbia nell'atmosfera, un altro meccanismo fisico potrebbe essere alla base della formazione del campo elettrico. Hanno proposto che la turbolenza, il movimento stocastico delle particelle di sabbia incorporate nel flusso d'aria, potrebbe causare la separazione spontanea dei granelli di sabbia. A dimostrazione di questa teoria, però, richiederebbe alcuni mezzi per semplificare un problema con molte variabili dinamiche.
"Risolvere tutte quelle particelle di sabbia e i movimenti turbolenti richiederebbe una potenza di calcolo irrealistica, " dice Samtaney. "Quindi usiamo quella che viene chiamata una simulazione di grandi vortici, dove le piccole fluttuazioni si attenuano e rimangono solo quelle grandi. Stiamo posizionando il modello all'interno della tempesta di sabbia, per diversi minuti o ore, per vedere cosa è statisticamente stabile."
Come parte del suo dottorato di ricerca. ricerca, Mustafa Rahman si è unito al gruppo di Samtaney per affrontare questo problema. Ha contribuito a sviluppare un approccio in cui i vortici turbolenti delle tempeste di sabbia sono modellati all'interno di una scatola virtuale che si estende dal livello del suolo alle altezze chilometriche nell'atmosfera. Hanno controllato la forza della tempesta di sabbia con un algoritmo che introduce diverse densità di particelle cariche nella scatola, appena sopra il suolo del deserto.
"Vicino al suolo, l'aria turbolenta si accoppia al trasporto della sabbia e si influenzano a vicenda, " dice Rahman. "Questi meccanismi sono difficili da modellare con tecniche convenzionali".
Il team ha trascorso mesi a modellare e programmare su Shaheen-II, Il supercomputer massicciamente parallelo di KAUST, per risolvere i grandi vortici in modo sufficientemente dettagliato. I loro calcoli hanno rivelato che i grani di dimensioni più piccole tendevano a seguire il flusso turbolento, ma i grani più grandi no. Poiché le due classi di grandezza dei granelli di sabbia avevano cariche opposte, questa separazione basata sulla turbolenza ha creato un campo elettrico che si è sostenuto e ha rafforzato un'ulteriore separazione di carica, producendo infine campi elettrici vicini a diverse centinaia di migliaia di volt per metro, che corrispondono esattamente alle misurazioni sul campo.
"Riprodurre le misurazioni del campo elettrico significa che il nostro framework di simulazione può essere utilizzato come strumento predittivo, anche per rover e satelliti che si occupano di diavoli di polvere su Marte, "dice Samtaney.
