Figure 1 Le domaine de simulation (SD). La hauteur de la couche limite atmosphérique est modélisée comme un écoulement turbulent en demi-canal avec des conditions périodiques dans le sens du courant et dans le sens de l'envergure. La limite inférieure est modélisée comme un mur virtuel (VW) à ε ( ≪ δ ) de hauteur.
Un phénomène météorologique complexe qui a intrigué les chercheurs depuis le XIXe siècle peut désormais être modélisé avec précision à l'aide d'un cadre de simulation informatique développé à la KAUST.
Un aspect moins connu des tempêtes de sable est qu'elles peuvent générer des champs électriques de grande amplitude capables de perturber les équipements de communication. Des études récentes ont montré que le sable peut capter de l'électricité statique lors de collisions qui ont lieu près du sol. Moins certain, bien que, C'est ainsi que se comporte le sable électrifié une fois en suspension dans l'air. Les intensités de champ observées nécessitent des moyens de séparer les particules de charges opposées les unes des autres sur de grandes échelles.
Ravi Samtaney et son équipe de KAUST ont réalisé que, comme très peu de collisions ont lieu entre les particules de sable dans l'atmosphère, un autre mécanisme physique pourrait être à l'origine de la formation de champ électrique. Ils ont proposé que la turbulence - le mouvement stochastique des particules de sable incrustées dans le flux d'air - pourrait provoquer la séparation spontanée des grains de sable. Démontrer cette théorie, cependant, nécessiterait des moyens de simplifier un problème avec de nombreuses variables dynamiques.
"Résoudre toutes ces particules de sable et ces mouvements turbulents nécessiterait une puissance de calcul irréaliste, " dit Samtaney. " Nous utilisons donc ce qu'on appelle une simulation de grands tourbillons, où les minuscules fluctuations sont lissées et il ne reste que les grandes. Nous situons le modèle à l'intérieur de la tempête de sable, pendant plusieurs minutes ou heures, pour voir ce qui est statistiquement stable."
Dans le cadre de son doctorat. recherche, Mustafa Rahman a rejoint le groupe de Samtaney pour s'attaquer à ce problème. Il a aidé à développer une approche où les tourbillons turbulents des tempêtes de sable sont modélisés à l'intérieur d'une boîte virtuelle qui s'étend du niveau du sol aux hauteurs à l'échelle du kilomètre dans l'atmosphère. Ils ont contrôlé la force de la tempête de sable avec un algorithme qui introduit différentes densités de particules chargées dans la boîte, juste au-dessus du sol du désert.
« Près du sol, l'air turbulent se couple au transport de sable et ils s'influencent mutuellement, " dit Rahman. " Ces mécanismes sont difficiles à modéliser avec des techniques conventionnelles. "
L'équipe a passé des mois à modéliser et à coder sur Shaheen-II, le supercalculateur massivement parallèle de KAUST, pour résoudre les grands tourbillons avec suffisamment de détails. Leurs calculs ont révélé que les grains de plus petite taille avaient tendance à suivre l'écoulement turbulent, mais pas les grains plus gros. Parce que les deux classes de taille des grains de sable avaient des charges opposées, cette séparation basée sur la turbulence a créé un champ électrique qui s'est maintenu et a renforcé la séparation des charges, produisant à terme des champs électriques proches de plusieurs centaines de milliers de volts par mètre, qui correspondent exactement aux mesures de terrain.
« Reproduire les mesures du champ électrique signifie que notre cadre de simulation peut être utilisé comme un outil prédictif, même pour les rovers et les satellites confrontés aux diables de poussière sur Mars, " dit Samtaney.
