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Um grupo de pesquisa da Universidade de Nagoya simulou com precisão a turbulência do ar que ocorre em dias claros em torno de Tóquio usando o supercomputador mais rápido do Japão. Eles então compararam suas descobertas com dados de voo para criar um modelo preditivo mais preciso. A pesquisa foi publicada na revista Cartas de Pesquisa Geofísica.
Embora a turbulência do ar esteja geralmente associada ao mau tempo, a cabine de um avião pode tremer violentamente mesmo em um dia ensolarado e sem nuvens. Conhecido como turbulência de ar claro (CAT), esses movimentos de ar turbulento podem ocorrer na ausência de nuvens visíveis ou outros distúrbios atmosféricos. Embora os mecanismos exatos que causam o CAT não sejam totalmente compreendidos, acredita-se que seja impulsionado principalmente pelo cisalhamento do vento e pela instabilidade atmosférica.
O CAT representa um alto risco para a segurança da aviação. A turbulência repentina em um dia calmo pode levar a ferimentos em passageiros e membros da tripulação, danos à aeronave e interrupções nas operações de voo. Os pilotos contam com relatórios de outras aeronaves, radares meteorológicos e modelos atmosféricos para antecipar e evitar áreas de potencial turbulência. No entanto, como o CAT não mostra indicadores visíveis, como nuvens ou tempestades, é particularmente difícil detectar e prever.
À medida que os ventos giram e circulam, criando mudanças repentinas no fluxo de ar, são criados redemoinhos que podem sacudir uma aeronave. Portanto, para entender melhor o CAT, os cientistas o modelam usando simulação de grandes turbilhões (LES), uma técnica computacional de dinâmica de fluidos usada para simular esses fluxos turbulentos. No entanto, apesar de sua importância para a pesquisa em turbulência do ar, um dos maiores desafios do LES é o custo computacional. Simular as complexas interações envolvidas no LES requer altos níveis de poder computacional.
Para simular detalhadamente o processo de geração de turbulência usando LES de alta resolução, o grupo de pesquisa da Universidade de Nagoya recorreu a um computador em exascale chamado supercomputador Fugaku. É um sistema de computação de alto desempenho, atualmente classificado como o segundo supercomputador mais rápido do mundo.
Usando o imenso poder computacional do Fugaku, o Dr. Ryoichi Yoshimura, da Universidade de Nagoya, em colaboração com o Dr. Junshi Ito e outros da Universidade de Tohoku, realizaram uma simulação de ultra-alta resolução do CAT acima do aeroporto Haneda de Tóquio no inverno causado por baixa pressão e um cadeia de montanhas.
Eles descobriram que a perturbação da velocidade do vento foi causada pelo colapso da onda de instabilidade de Kelvin-Helmholtz, um tipo específico de instabilidade que ocorre na interface entre duas camadas de ar com velocidades diferentes. Como uma camada tem velocidade maior que a outra, ela cria um efeito de onda ao puxar a camada de velocidade mais baixa. À medida que as ondas atmosféricas crescem do oeste e colapsam no leste, esse fenômeno cria vários vórtices finos, criando turbulência.
Depois de fazer seus cálculos, o grupo precisava confirmar se seus vórtices simulados eram consistentes com os dados do mundo real. “Ao redor de Tóquio, há muitos dados observacionais disponíveis para validar nossos resultados”, disse Yoshimura. “Há muitos aviões sobrevoando os aeroportos, o que resulta em muitos relatos de turbulência e intensidade dos tremores. Também foram usadas observações atmosféricas de um balão perto de Tóquio. Os dados de tremores registrados na época foram usados para mostrar que os cálculos eram válidos .”
“Os resultados desta pesquisa devem levar a uma compreensão mais profunda do princípio e mecanismo de geração de turbulência por simulação de alta resolução e nos permitir investigar os efeitos da turbulência em aviões com mais detalhes”, disse Yoshimura. “Como foi demonstrado que uma turbulência significativa ocorre na região 3D limitada, o roteamento sem voar na região é possível ajustando os níveis de voo se a presença de turbulência ativa for conhecida com antecedência. O LES forneceria uma maneira inteligente de voar, fornecendo informações mais precisas previsões de turbulência e previsão em tempo real.”
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