Lorsqu’une vague océanique se brise contre une plage, elle contient d’innombrables tourbillons et tourbillons. L'eau de mer forme des motifs complexes à chaque niveau, depuis les vagues captées par les surfeurs jusqu'aux ondulations trop petites et trop rapides pour que l'œil humain les remarque. Chaque mouvement déclenche une autre série de mouvements, se répercutant en cascade à travers les couches d'eau.
Ce qui est simplement pittoresque sur une plage est essentiel à comprendre pour les scientifiques. Décrire plus précisément la façon dont la chaleur se déplace dans l'océan pourrait aider les scientifiques à développer des modèles informatiques meilleurs et plus précis du climat terrestre. Comprendre la turbulence (le mouvement irrégulier des fluides) dans l'océan aiderait les chercheurs à résoudre ce problème.
Des scientifiques de l'Université de Cambridge et de l'Université du Massachusetts à Amherst ont utilisé le supercalculateur Summit de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) du ministère de l'Énergie pour exécuter un nouveau modèle de turbulence océanique. (L'OLCF est un établissement utilisateur du DOE Office of Science.) Les travaux sont publiés dans le Journal of Turbulence. .
L’ordinateur a simulé un cube générique de 10 mètres d’eau de mer. Bien que cela ne semble pas très grand, ce petit morceau d’océan est incroyablement complexe. Pour analyser les changements au centimètre près, le programme simule le cube d'eau sur une grille numérique. Ce cube numérique était composé de près de 4 000 milliards de points de grille.
Avec ce modèle, les scientifiques ont analysé l'influence de la turbulence sur la chaleur se déplaçant dans l'eau de mer. Dans le véritable océan, le soleil chauffe l’eau à la surface. L'eau froide se trouve au fond des océans. La chaleur se disperse à travers les différentes couches d’eau, mais il ne s’agit pas d’une série de changements constants ou mineurs. L'eau est une combinaison de zones relativement calmes et de zones qui se mélangent vigoureusement de temps en temps. L'incohérence de la turbulence est l'une des choses qui rendent les choses si compliquées.
Ce nouveau modèle était la simulation la plus détaillée de ces processus à ce jour. Auparavant, les ordinateurs n'étaient tout simplement pas assez puissants pour gérer les couches de complexité et capturer le mouvement à une vaste gamme d'échelles.
Pour gérer ces limitations, les modèles précédents regroupaient toutes les actions se produisant dans différentes parties de l’eau en une seule mesure moyenne. De plus, ils ont utilisé une faible valeur d'un rapport important pour mesurer la turbulence et la dissipation de la chaleur dans des flux océaniques réalistes. Mais cela a brouillé les changements individuels et leurs effets.
En revanche, le nouveau modèle utilise une valeur de rapport beaucoup plus élevée et montre comment la turbulence se produit dans des conditions réalistes. Cela a permis aux scientifiques de suivre la poussée initiale de turbulence, puis de la suivre jusqu'à ce qu'elle disparaisse. Le nouveau modèle leur a également permis de zoomer sur différentes couches pour examiner des détails spécifiques.
Les données de ces nouvelles simulations remettent en question certaines théories de longue date sur la turbulence. Auparavant, les scientifiques pensaient que les fluides froids et chauds se mélangeaient à peu près au même rythme. Le modèle suggère que les fluides les plus chauds se mélangent plus lentement que l'élan de la turbulence.
En plus d’améliorer les modèles climatiques, ces informations peuvent fournir un aperçu d’autres domaines influencés par la dynamique des fluides. Cela pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre comment la pollution se propage dans l’eau ou dans l’air. C'est important pour les scientifiques qui travaillent pour aider les communautés et les écosystèmes touchés par la pollution.
Avec le supercalculateur Frontier encore plus puissant désormais disponible à l'OLCF, les scientifiques de ce projet espèrent approfondir davantage leur compréhension de ce sujet complexe. Les vagues de l'océan sont belles, tout comme les données qui nous aident à les comprendre.
Plus d'informations : James J. Riley et al, L'effet du nombre de Prandtl sur la décroissance de la turbulence stratifiée, Journal of Turbulence (2023). DOI :10.1080/14685248.2023.2178654
Fourni par le Département américain de l'énergie
