Estudo inédito mostra a evolução de um vórtice 3D

Pela primeira vez, uma simulação de alto desempenho gerou a evolução de um vórtice 3D em formação. A estrutura é conhecida como Parafuso ou Fibra de Hopf, teoricamente comum na origem de vórtices em sistemas físicos e químicos, como também biológicos, cuja formação detalhada é muito rara de se observar. A simulação é resultado de seis anos de estudos no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), em São José dos Campos (SP), em colaboração com o Instituto Georgia Tech, nos Estados Unidos, e a Universidade de Nottingham, no Reino Unido.

O método inédito permitiu observar e compreender como se formam grandes turbilhões como furacões, tornados e trombas d’agua a partir de uma abordagem alternativa conhecida como turbulência fraca.

 “A formação tridimensional de parafuso caótico de Hopf também é importante no estudo de patologias cardíacas que estão relacionadas à propagação de ondas 3D do fluxo sanguíneo pelo miocárdio”, explica o pesquisador Reinaldo Roberto Rosa, do INPE, que liderou a pesquisa.  

O estudo envolveu a construção de um simulador 3D no INPE, baseado na equação de Ginzburg-Landau, uma abordagem alternativa aos modelos tradicionais e ainda pouco estudada. Como inovação, os pesquisadores utilizaram também a técnica de padrões gradientes (Gradient Pattern Analysis), criada por Reinaldo Rosa e aprimorada por Rubens Sautter, doutorando em Computação Aplicada do INPE.

O simulador permitiu capturar com precisão, pela primeira vez nessa área de pesquisa, a formação de um Parafuso de Hopf, além de outras estruturas complexas, com riqueza de detalhes. A ferramenta foi testada e validada em grandes hipercubos de dados no supercomputador Santos Dumont, instalado no Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), em Petrópolis (RJ). Clique aqui para acessar um vídeo da simulação.

O próximo passo é treinar uma ferramenta de Inteligência Artificial para prever e caracterizar automaticamente esse tipo de estrutura em sistemas complexos simulados e reais, principalmente aqueles relacionados ao espaço e ao meio ambiente, incluindo o estudo de turbulência fraca na floresta amazônica.

A pesquisa contou com recursos da FAPESP e seus resultados foram publicados recentemente na revista Nature.

Confira aqui o artigo Gradient Vortex Dynamics in 3D-Weak Turbulence.