Un grupo de investigación de la Universidad de Nagoya ha simulado con precisión la turbulencia del aire que ocurre en días despejados alrededor de Tokio utilizando la supercomputadora más rápida de Japón. Luego compararon sus hallazgos con los datos de vuelo para crear un modelo predictivo más preciso. La investigación fue reportada en la revista Geophysical Research Letters.
Aunque la turbulencia del aire suele estar asociada con el mal tiempo, la cabina de un avión puede temblar violentamente incluso en un día soleado y sin nubes. Conocido como turbulencia de aire claro (CAT), estos movimientos de aire turbulento pueden ocurrir en ausencia de nubes visibles u otras perturbaciones atmosféricas. Aunque los mecanismos exactos que causan CAT no se comprenden completamente, se cree que se debe principalmente a la cizalladura del viento y la inestabilidad atmosférica.
CAT representa un alto riesgo para la seguridad de la aviación. La turbulencia repentina en un día tranquilo puede provocar lesiones a los pasajeros y miembros de la tripulación, daños a la aeronave e interrupciones en las operaciones de vuelo. Los pilotos confían en los informes de otras aeronaves, radares meteorológicos y modelos atmosféricos para anticipar y evitar áreas de posibles turbulencias. Sin embargo, dado que CAT no muestra indicadores visibles, como nubes o tormentas, es particularmente difícil de detectar y pronosticar.
A medida que los vientos se arremolinan y circulan creando cambios repentinos en el flujo de aire, se crean remolinos que pueden sacudir un avión. Por lo tanto, para comprender mejor la CAT, los científicos la modelan utilizando simulación de grandes remolinos (LES), una técnica de dinámica de fluidos computacional utilizada para simular estos flujos turbulentos. Sin embargo, a pesar de su importancia para la investigación de la turbulencia del aire, uno de los mayores desafíos de LES es el costo computacional. La simulación de las complejas interacciones involucradas en LES requiere altos niveles de potencia informática.
Para simular de manera elaborada el proceso de generación de turbulencias utilizando LES de alta resolución, el grupo de investigación de la Universidad de Nagoya recurrió a una computadora a exaescala llamada supercomputadora Fugaku. Es un sistema informático de alto rendimiento, actualmente clasificado como el segundo superordenador más rápido del mundo.
Utilizando el inmenso poder computacional de Fugaku, el Dr. Ryoichi Yoshimura de la Universidad de Nagoya, en colaboración con el Dr. Junshi Ito y otros en la Universidad de Tohoku, realizó una simulación de ultra alta resolución del CAT sobre el aeropuerto Haneda de Tokio en invierno causado por la baja presión y un cordillera.
Descubrieron que la perturbación de la velocidad del viento fue causada por el colapso de la onda de inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, un tipo específico de inestabilidad que ocurre en la interfaz entre dos capas de aire con diferentes velocidades. Como una capa tiene una velocidad más alta que la otra, crea un efecto de onda a medida que tira de la capa de menor velocidad. A medida que las ondas atmosféricas crecen desde el oeste y colapsan en el este, este fenómeno crea varios vórtices finos que generan turbulencia.
Después de hacer sus cálculos, el grupo necesitaba confirmar si sus vórtices simulados eran consistentes con los datos del mundo real. « Alrededor de Tokio, hay una gran cantidad de datos de observación disponibles para validar nuestros resultados », dijo Yoshimura. « Hay muchos aviones volando sobre los aeropuertos, lo que genera muchos informes de turbulencia y la intensidad de las sacudidas. También se utilizaron observaciones atmosféricas realizadas por un globo cerca de Tokio. Los datos de sacudidas registrados en ese momento se usaron para demostrar que los cálculos eran válidos.. »
« Los resultados de esta investigación deberían conducir a una comprensión más profunda del principio y el mecanismo de generación de turbulencias mediante simulación de alta resolución y permitirnos investigar los efectos de las turbulencias en los aviones con más detalle », dijo Yoshimura. « Dado que se ha demostrado que ocurre una turbulencia significativa en la región 3D limitada, es posible enrutar sin volar en la región ajustando los niveles de vuelo si se conoce de antemano la presencia de turbulencia activa. LES proporcionaría una forma inteligente de volar al proporcionar pronósticos de turbulencia y predicción en tiempo real ».