Cuando una ola del océano choca contra la playa, contiene innumerables remolinos y remolinos. El agua de mar forma patrones complejos en cada nivel, desde las olas que atrapan los surfistas hasta ondas demasiado pequeñas y rápidas para que el ojo humano las note. Cada movimiento desencadena otro conjunto de movimientos, que se suceden en cascada a través de capas de agua.

Es esencial que los científicos comprendan lo que es meramente pintoresco en una playa. Describir con mayor precisión cómo se mueve el calor a través del océano podría ayudar a los científicos a desarrollar modelos informáticos mejores y más precisos del clima de la Tierra. Comprender la turbulencia (el movimiento irregular de fluidos) en el océano ayudaría a los investigadores a resolver este problema.

Científicos de la Universidad de Cambridge y la Universidad de Massachusetts Amherst utilizaron la supercomputadora Summit en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) del Departamento de Energía para ejecutar un nuevo modelo de turbulencia oceánica. (El OLCF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE). El trabajo se publica en el Journal of Turbulence. .

La computadora simuló un cubo genérico de agua de océano de 10 metros. Si bien esto no parece muy grande, solo este pequeño trozo de océano es increíblemente complejo. Para analizar los cambios al centímetro, el programa simula el cubo de agua en una cuadrícula digital. Este cubo digital estaba formado por casi 4 billones de puntos de cuadrícula.

Con el modelo, los científicos analizaron cómo la turbulencia influye en el calor que se mueve a través del agua de mar. En el océano real, el sol calienta el agua de la superficie. El agua fría se encuentra en el fondo del fondo del océano. El calor se dispersa a través de las diferentes capas de agua, pero no se trata de una serie de cambios consistentes o pequeños. El agua es una combinación de áreas relativamente tranquilas y áreas que se mezclan vigorosamente de vez en cuando. La inconsistencia de la turbulencia es una de las cosas que la hace tan complicada.

Este nuevo modelo fue la simulación más detallada de estos procesos hasta el momento. Anteriormente, las computadoras simplemente no eran lo suficientemente potentes para manejar capas tras capas de complejidad y capturar el movimiento en una amplia gama de escalas.

Para manejar esas limitaciones, los modelos anteriores colapsaron todas las acciones que ocurren en diferentes partes del agua en una medida promedio. Además, utilizaron un valor bajo de una proporción que es importante para medir la turbulencia y la disipación de calor en flujos oceánicos realistas. Pero eso confundió los cambios individuales y sus efectos.

Por el contrario, el nuevo modelo utilizó un valor mucho más alto de la relación y mostró cómo se produce la turbulencia en condiciones realistas. Permitió a los científicos rastrear el aumento inicial de turbulencia y luego seguirlo hasta que desapareció. El nuevo modelo también les permitió hacer zoom en diferentes capas para examinar detalles específicos.

Los datos de estas nuevas simulaciones desafían algunas teorías de larga data sobre la turbulencia. Anteriormente, los científicos pensaban que los fluidos fríos y calientes se mezclaban aproximadamente al mismo ritmo. El modelo sugiere que los fluidos más calientes se mezclan más lentamente que el impulso de la turbulencia.

Además de mejorar los modelos climáticos, esta información puede proporcionar información sobre otras áreas influenciadas por la dinámica de fluidos. Puede ayudar a los científicos a comprender mejor cómo se propaga la contaminación a través del agua o el aire. Esto es importante para los científicos que trabajan para ayudar a las comunidades y ecosistemas afectados por la contaminación.

Con la supercomputadora Frontier, aún más poderosa, ahora disponible en OLCF, los científicos de este proyecto esperan ampliar aún más su comprensión de este complejo tema. Las olas del océano son hermosas, pero también lo son los datos que nos ayudan a comprenderlas.

Más información: James J. Riley et al, El efecto del número de Prandtl sobre la turbulencia estratificada en descomposición, Journal of Turbulence (2023). DOI:10.1080/14685248.2023.2178654

Proporcionado por el Departamento de Energía de EE. UU.