Компьютерная симуляция океанской воды с турбулентными узорами, представленными красными и синими водоворотами на белой поверхности.
Кредит: Майлз Коучман

Когда океанская волна накатывается на пляж, она содержит бесчисленные водовороты и водовороты. Морская вода образует сложные узоры на каждом уровне: от волн, которые ловят серферы, до ряби, слишком маленькой и быстрой, чтобы ее мог заметить человеческий глаз. Каждое движение запускает другой набор движений, каскадно проходящий через слои воды.

Ученым важно понять то, что на пляже просто живописно. Более точное описание того, как тепло распространяется через океан, может помочь ученым разработать более качественные и точные компьютерные модели климата Земли. Понимание турбулентности – неравномерного движения жидкостей – в океане поможет исследователям решить эту проблему.

Ученые из Кембриджского университета и Массачусетского университета в Амхерсте использовали суперкомпьютер Summit в Центре вычислений лидерства в Ок-Ридже (OLCF) Министерства энергетики США для запуска новой модели турбулентности океана. (OLCF является пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США.) Работа опубликована в журнале Journal of Turbulence.

Компьютер смоделировал обычный 10-метровый куб океанской воды. Хотя он не кажется таким уж большим, этот небольшой кусок океана невероятно сложен. Для анализа изменений с точностью до сантиметра программа моделирует куб воды на цифровой сетке. Этот цифровой куб состоял из почти 4 триллионов точек сетки.

С помощью модели ученые проанализировали, как турбулентность влияет на тепло, проходящее через морскую воду. В реальном океане солнце нагревает воду на поверхности. Холодная вода находится на дне океана. Тепло распространяется по разным слоям воды, но это не серия последовательных или небольших изменений. Вода представляет собой сочетание относительно спокойных участков и участков, которые время от времени энергично перемешиваются. Непоследовательность турбулентности — одна из причин, которая делает ее такой сложной.

Эта новая модель представляла собой наиболее детальное моделирование этих процессов. Раньше компьютеры просто не были достаточно мощными, чтобы обрабатывать слои сложности и фиксировать движение в широком диапазоне масштабов.

Чтобы справиться с этими ограничениями, предыдущие модели объединяли все действия, происходящие в разных частях воды, в одно среднее измерение. Кроме того, они использовали низкое значение коэффициента, важного для измерения турбулентности и рассеивания тепла в реалистичных океанских потоках. Но это запутывало отдельные изменения и их последствия.

Напротив, новая модель использовала гораздо более высокое значение коэффициента и показала, как турбулентность возникает в реалистичных условиях. Это позволило ученым отследить первоначальный всплеск турбулентности, а затем следить за ним, пока он не исчезнет. Новая модель также позволила им масштабировать различные слои для изучения конкретных деталей.

Данные этих новых симуляций бросают вызов некоторым давним теориям о турбулентности. Раньше учёные считали, что холодные и горячие жидкости смешиваются друг с другом примерно с одинаковой скоростью. Модель предполагает, что более горячие жидкости смешиваются медленнее, чем импульс турбулентности.

Помимо улучшения климатических моделей, эта информация может дать представление о других областях, на которые влияет гидродинамика. Это может помочь ученым лучше понять, как загрязнение распространяется через воду или воздух. Это важно для ученых, которые работают, чтобы помочь сообществам и экосистемам, пострадавшим от загрязнения.

Благодаря еще более мощному суперкомпьютеру Frontier, который теперь доступен в OLCF, ученые этого проекта надеются еще больше расширить свое понимание этой сложной темы. Волны в океане прекрасны, но не менее красивы и данные, которые помогают нам их понять.