Veel grootschalige stromingen in de natuur - zoals luchtstromen in de atmosfeer, oceaanstromingen en de circulatie van vloeibaar metaal onder het aardoppervlak - worden aangedreven door verwarming en beïnvloed door de rotatie van de aarde. Promovendus Andrés Aguirre Guzmán vertelt dat het zowel voor de klimaatwetenschap als voor ons begrip van het ‘terra incognita’ in het binnenste van de aarde van belang is dit type stroming - zogeheten roterende Rayleigh-Bénard convectie - beter te doorgronden.

Helaas is het volgens hem lastig om op basis van de bekende wiskundige beschrijving van dit fenomeen praktische (computer)voorspellingen te doen - met name indien er turbulentie optreedt en er chaotische wervelstromen ontstaan. “Bij het doorrekenen van turbulente stromingen moet je fijnmaziger te werk gaan, maar dat kost enorm veel rekenkracht.”

Dat probleem speelt vooral bij het simuleren van de genoemde grootschalige geofysische systemen, waarin de voornaamste parameters, het getal van Rayleigh (een maat voor de invloed van zwaartekracht en temperatuurverschillen) en het getal van Ekman (dat aangeeft hoe groot de invloed van de rotatie is), respectievelijk enorm groot en extreem klein zijn.

Pilaarvormig

Vijf jaar geleden verwierf Aguirre Guzmans begeleider Rudie Kunnen een grote Europese subsidie om dergelijke geofysische stromingen na te bootsen in een vier meter hoge pilaarvormige roterende cilinder in het lab van de groep Fluids and Flows (faculteit Applied Physics). Hierin wordt water van onderaf opgewarmd tot vijftig graden en bovenin afgekoeld om een opstijgende stroming op te wekken en het effect van het ronddraaien van de cilinder - waarmee de aardrotatie wordt nagebootst - te onderzoeken.

“Rudie heeft mij toen aangetrokken om de bijbehorende computersimulaties te doen”, vertelt de Venezolaan. Opvallend genoeg is het in een fysiek experiment makkelijker om in de buurt te komen van de geofysische situatie dan in een computersimulatie, benadrukt hij. “Experimenten zijn overigens wel technisch uitdagend. Het voordeel van simulaties is dat je daarin alle relevante fysische grootheden kunt meenemen. Maar in beide gevallen zijn we helaas nog ordes van grootte verwijderd van de getallen die gelden voor het stromende vloeibare metaal onder de aardkorst.”

Supercomputer

Wel wist hij met behulp van de Nationale Supercomputer Cartesius een stap te zetten richting een betrouwbare simulatie van roterende Rayleigh-Bénard convectie op planetaire schaal. “Daarvoor heb ik in totaal maanden laten rekenen op die supercomputer in Amsterdam, in blokjes van vijf dagen. Daardoor heb ik extremere - en dus realistischere - parameters kunnen gebruiken dan tot dusverre was gedaan.”

Zijn berekeningen zijn onder meer relevant voor hoe wervelstormen boven land kunnen ontstaan. Ook leerde Aguirre Guzmán hoe het kan dat de veel sterkere, boven open water gevormde cyclonen hun kracht behouden terwijl ze over het land razen en zo in bepaalde delen van de wereld jaarlijks veel schade kunnen aanrichten.

“Door het reliëf van het aardoppervlak, zoals bergketens, ontstaan verticale luchtstromen die de dominante horizontale winden verstoren. Ik heb aangetoond dat zich door het samenspel tussen die verticale en horizontale stromingen wervelstormen kunnen vormen. Maar die verticale luchtstromen kunnen ook als het ware aan stukken worden gescheurd als de horizontale winden krachtig genoeg zijn.” Dat laatste effect zorgt ervoor dat cyclonen, die hun energie ontlenen aan het warme zeewater waarboven ze ontstaan, niet snel in kracht afnemen zodra ze aan land komen. De verticale luchtstromen boven land zijn dan simpelweg geen partij voor de krachtige horizontale winden van de cycloon, zo toonde de Venezolaan aan.