Supercomputer deckt Gefahr für Flugzeuge auf

Turbulenzen entstehen, wenn schnelle Luft (rot) langsame mitreißt (Illustration: Ryoichi Yoshimura)

Nagoya/Kobe/Tokio (pte003/13.07.2023/06:10) - Flugkapitäne können künftig vor einer der tückischsten Gefahren gewarnt werden, die die fast unberechenbare Atmosphäre für Personal und Fluggäste bereithält: Schwere Turbulenzen, die bei wolkenlosem Himmel auftreten und bisher nicht vorhergesagt werden können. Clear air turbulence (CAT) nennen es die Flieger. Eine Forschungsgruppe der Universität Nagoya ( https://en.nagoya-u.ac.jp/ ) hat das Warnsystem entwickelt und dabei mit Japans schnellstem Supercomputer Fugaku die Luftturbulenzen an klaren Tagen rund um Tokio genau simuliert.

Keine sichtbare Indikatoren

CAT stellt ein hohes Risiko für die Flugsicherheit dar. Um es zu reduzieren, verlassen sich Piloten vor allem auf Berichte ihrer Kollegen, Wetterradar und atmosphärische Modelle, um Bereiche mit potenziellen Turbulenzen zu antizipieren und zu vermeiden. Da CAT jedoch keine sichtbaren Indikatoren wie Wolken oder Stürme mit sich bringt, ist es schwierig, sie zu erkennen und zu prognostizieren.

Um CAT besser zu verstehen, modellierten die Wissenschaftler es mit Hilfe der Large-Eddy-Simulation (LES), einer numerischen Strömungsmechanik-Berechnung. Das erforderte ein hohes Maß an Rechenleistung. Die lieferte Fugaku, der weltweit zweitschnellste Computer, der 2020 am RIKEN Center for Computational Science ( https://www.riken.jp/en/research/labs/r-ccs/ ) im japanischen Kobe installiert worden ist.

Schnelle Luft reißt langsame mit sich

Die verantwortlichen Forscher Ryoichi Yoshimura und Junshi Ito fanden so heraus, dass die Turbulenzen auf Grund einer bestimmten Art von Instabilität an der Grenzfläche zwischen zwei Luftschichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auftreten. Die schnellere Strömung reißt die langsamere gewissermaßen mit. Auf Grund der Massenträgheit bilden sich dabei Wirbel, die sich zu gefährlichen Turbulenzen auswachsen können.

Der Luftraum über Tokio bot ihnen die Möglichkeit, ihre Simulationsdaten mit der Realität zu vergleichen. "Tokio überfliegen viele Flugzeuge, sodass wir viele Berichte über solche Turbulenzen bekamen", sagt Yoshimura. "Wir konnten auch Daten eines Wetterballons in der Nähe von Tokio nutzen." Die Forscher stellten eine große Übereinstimmung fest. Ehe die Simulation praktisch nutzbar ist und den Flugbetrieb sicherer macht, muss aber erst noch der Rechenaufwand drastisch verringert werden.

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