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Bildung & Uni

Uni Innsbruck belebt 70 Jahre alte Turbulenz-Theorie neu

Messstation im Inntal ©Tobias Posch

Wetter & Klima. Die Berechnung von Turbulenz in der Atmosphäre ist für präzise Wettervorhersagen wichtig. Die Uni Innsbruck hat dafür einer alten Theorie nun ein Update spendiert.

Eine korrekte Darstellung von Turbulenz in der Atmosphäre ist für präzise Wettervorhersagen und Klimaprojektionen entscheidend, heißt es in einer Aussendung der Uni Wien. Die Theorie dahinter sei allerdings nicht nur sehr alt, sondern auch wenig repräsentativ, da sie sich nur auf flaches Gelände bezieht. Die Innsbrucker Meteorologin Ivana Stiperski (Institut für Atmosphären- und Kryosphärenwissenschaften) hat nun die seit den 1950er Jahren gängige Theorie zu Turbulenz erweitert. Die Forscherin ebne damit erstmals den Weg zu einer allgemeingültigen Turbulenz-Theorie über komplexem Terrain.

Turbulenz mehr als nur viel Wirbel

Turbulenz ist der wichtigste Austauschmechanismus zwischen der Erdoberfläche und der darüber liegenden Atmosphäre, so die Uni: Dieser Mechanismus bleibe jedoch eines der letzten großen Rätsel der klassischen Physik und Mathematik. Ivana Stiperski, Leiterin der Forschungsgruppe „Atmospheric Turbulence“ am Institut für Atmosphären- und Kryosphärenwissenschaften der Universität Innsbruck, widmet sich der Erforschung von Turbulenz über Gebirgen und arbeitet mit ihrem Team seit 2020 im Rahmen eines ERC-Consolidator-Grants an diesem Thema.

„Turbulenz beeinflusst unterschiedliche Phänomene wie Klima, Sturmsysteme, Luftverschmutzung und Gletscherschmelze. Genaue Wettervorhersagen und Klimaprognosen erfordern daher eine präzise Beschreibung der Turbulenz. Über komplexem Gelände von Gebirgsregionen ist dies besonders schwierig, da sehr wenig darüber bekannt ist, wie dieses Terrain die Turbulenz verändert. In den vergangenen 70 Jahren waren keine großen Fortschritte in der Weiterentwicklung der Theorie zu verzeichnen“, erklärt Stiperski.

Eine ehrwürdige Theorie

Bisher beruhte das Verständnis der atmosphärischen Turbulenz und ihrer Berücksichtigung in Wetter- und Klimamodellen auf der so genannten Ähnlichkeitstheorie, genauer gesagt auf der 1954 erstmals beschriebenen „Monin-Obukhov-Ähnlichkeitstheorie“. Diese jahrzehntealte Turbulenztheorie geht jedoch davon aus, dass die Erdoberfläche flach und horizontal homogen ist – also einheitliche Merkmale in der Horizontalen aufweist, wie etwa unendliche Gras- oder Maisfelder. Sie ist daher nicht repräsentativ für den Großteil der Landoberfläche der Erde. „Diese letzlich inkorrekte Darstellung der Turbulenz trägt zu Ungenauigkeiten in Wettervorhersagen und Klimaprojektionen bei“, so Stiperski.

Version 2.0 für komplexes Gelände

Ziel der Forscherin ist es, eine verallgemeinerte Theorie zu entwickeln, die für alle realistischen atmosphärischen Bedingungen gilt. Ein erster großer Schritt in diese Richtung sei ihr nun gelungen. „Rund 70 Prozent der Erdoberfläche sind durch eine heterogene, gebirgige Struktur gekennzeichnet, also ein komplexes Gelände wie zum Beispiel hier in Tirol. In unserer Studie verwenden wir ein einzigartiges Ensemble aus großen Messdatensätzen und Techniken des maschinellen Lernens, um neue Ähnlichkeitsbeziehungen zu entwickeln“, beschreibt Ivana Stiperski den Ansatz der neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde („Generalizing Monin-Obukhov Similarity Theory (1954) for Complex Atmospheric Turbulence“, Ivana Stiperski and Marc Calaf).

In ihrer neuen Theorie verwendet die Meteorologin eine neue Schlüsselvariable in die Berechnungen: „In unserem neuartigen Ansatz beziehen wir die so genannte Anisotropie mit ein, also die Information darüber, wie Energie in der Turbulenz in verschiedene Raumrichtungen verteilt ist. Wir zeigen, dass diese Größe Informationen über die Komplexität der Oberflächen- und Strömungsbedingungen, die die Turbulenz antreiben, kodiert. So können wir die Ähnlichkeitstheorie auf komplexes Terrain ausweiten und kommen einer einheitlichen Theorie komplexer atmosphärischer Turbulenz näher.“

Die Hoffnungen

Der Ansatz ermöglicht laut den Angaben eine korrektere Darstellung von Turbulenzeffekten in Wetter-, Klima- und Luftverschmutzungsmodellen. „Dies ist besonders wichtig für das Verständnis und die Vorhersage von Wetter- und Klimaprojektionen in Gebirgs- und Polarregionen, da die Ähnlichkeitstheorie dort regelmäßig versagt. Diese Regionen sind besonders anfällig und erleben bereits eine beispiellose Erwärmung aufgrund der Klimakrise. Eine genaue Beschreibung der weiteren Entwicklungen ist dahervon entscheidender Bedeutung“, so Ivana Stiperski.

Im Bild: Ivana Stiperski und Studierende des Kurses „Alpinmeteorologisches Geländepraktikum“ beim Aufbau der Instrumente an der i-Box-Station „Hochhäuser“ in der Gemeinde Kolsassberg im Inntal.

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