Forklaring af elektriske felter i sandstorme

Et komplekst vejrfænomen, der har undret forskere siden det nittende århundrede, kan nu modelleres nøjagtigt ved hjælp af en computersimuleringsramme udviklet på KAUST.

Et mindre kendt aspekt ved sandstorme er, at de kan generere elektriske felter i høj styrke, der er i stand til at forstyrre kommunikationsudstyr. Nylige undersøgelser har vist, at sand kan opfange statisk elektricitet gennem kollisioner, der finder sted nær jorden. Mindre sikkert, selvom, er, hvordan det elektrificerede sand opfører sig, når det først er luftbåret. De observerede feltstyrker kræver nogle midler til at adskille modsat ladede partikler fra hinanden over store skalaer.

Ravi Samtaney og hans team på KAUST indså, at fordi meget få kollisioner finder sted mellem sandpartikler i atmosfæren, en anden fysisk mekanisme kunne ligge bag dannelsen af ​​elektriske felter. De foreslog, at turbulens - stokastisk bevægelse af sandpartikler indlejret i luftstrømmen - kunne forårsage, at sandkorn spontant adskilles. Beviser denne teori, imidlertid, ville kræve nogle midler til at forenkle et problem med mange dynamiske variabler.

"At løse alle disse sandpartikler og turbulente bevægelser ville kræve urealistisk beregningskraft, " siger Samtaney. "Så vi bruger det, der kaldes en simulering med stor hvirvel, hvor de bittesmå udsving bliver udjævnet og kun store tilbage. Vi placerer modellen inde i sandstormen, i flere minutter eller timer, for at se, hvad der er statistisk stabilt."

Som en del af hans ph.d. forskning, Mustafa Rahman sluttede sig til Samtaneys gruppe for at tackle dette problem. Han var med til at udvikle en tilgang, hvor de turbulente hvirvler af sandstorme er modelleret inde i en virtuel boks, der strækker sig fra jordoverfladen til kilometerhøjder i atmosfæren. De kontrollerede sandstormens styrke med en algoritme, der introducerer forskellige tætheder af ladede partikler i kassen, lige over ørkenbunden.

"Nær jorden, den turbulente luft bliver koblet sammen med sandtransporten og de påvirker hinanden, " siger Rahman. "Disse mekanismer er vanskelige at modellere med konventionelle teknikker."

Holdet brugte måneder på modellering og kodning på Shaheen-II, KAUSTs massivt parallelle supercomputer, at løse de store hvirvler tilstrækkeligt detaljeret. Deres beregninger afslørede, at mindre korn havde en tendens til at følge den turbulente strøm, men større korn gjorde det ikke. Fordi de to størrelsesklasser af sandkorn havde modsatte ladninger, denne turbulensbaserede adskillelse skabte et elektrisk felt, der holdt sig selv opretholdt og forstærkede yderligere ladningsadskillelse, i sidste ende producerer elektriske felter tæt på flere hundrede tusinde volt pr. meter, som nøjagtigt matcher feltmålinger.

"Reproduktion af elektriske feltmålinger betyder, at vores simuleringsramme kan bruges som et forudsigelsesværktøj, selv for rovere og satellitter, der håndterer støvdjævle på Mars, " siger Samtaney.