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Large Deviations and Rare Transitions in Turbulent flows

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Die Extremereignisse in turbulenten Strömungen verstehen

Ein Forscher in Frankreich untersucht mögliche Auswirkungen extremer Ereignisse und abrupter Übergänge in turbulenten Strömungen auf das Wetter und das Klima.

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Turbulente Strömungen, auch als Turbulenz bekannt, sind Fluidbewegungen, die durch schnelle Änderungen des Drucks und der Fließgeschwindigkeit gekennzeichnet sind. Beispiele für turbulente Strömungen gibt es in Planetenatmosphären, Ozeanen sowie bei der Umströmung einer Tragfläche oder Windturbine und sie unterliegen starken Fluktuationen ihres mittleren Zustands. In einigen Fällen könnten sie sogar plötzlich in eine völlig unterschiedliche Fließkonfiguration wechseln. „Obwohl diese Extremereignisse für das Wetter, das Klima und eine Reihe von technischen Anwendungen von großer Bedeutung sind, werden viele Aspekte noch wenig verstanden“, sagt Corentin Herbert, ein Physikforscher an der ENS von Lyon. „Da turbulente Strömungen im Allgemeinen mehrere metastabile Attraktoren haben, kann davon ausgegangen werden, dass es allein aufgrund ihrer turbulenten Natur abrupte Übergänge im Ozean und in der Atmosphäre gibt.” Im Rahmen von TransTurb, einem durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützen Forschungsprojekt, arbeitete Herbert daran, solche Extremereignisse und abrupten Übergänge in turbulenten Strömungen besser zu verstehen.

Ein Wendepunkt für das globale Klima

Das wissenschaftliche Ziel des Projekts war es, zu untersuchen, ob in der Atmosphäre überhaupt spontane Übergänge zwischen bistabilen Zuständen existieren und ob sie den in der statistischen Physik untersuchten rauschinduzierten Übergängen ähnlich sind. „Obwohl man nicht wissen kann, wann der Übergang erfolgt, ist die Dynamik im Allgemeinen vorhersehbar, da das System immer demselben Pfad folgt, um das seltene Ereignis zu erzeugen“, erklärt Herbert. Das Phänomen, auf das sich das Projekt konzentrierte, äquatoriale Superrotation genannt, ist eine Umkehrung der Richtung tropischer Oberflächenwinde. „Auf der Erde dominieren Ostwinde, in vielen Planetenatmosphären, wie zum Beispiel der Venus, werden aber auch Westwinde beobachtet“, sagt Herbert. „Abrupte Übergänge zur Superrotation könnten ein neues Beispiel eines Wendepunktes für das globale Klima – oder etwas spekulativer – für den anthropogenen Klimawandel darstellen.“ Mit theoretischen Berechnungen und numerischen Simulationen hat das Projekt eindeutig gezeigt, dass ein Rückkopplungsmechanismus zwischen Äquatorialwellen in der Atmosphäre und dem Hintergrundwind zu Bistabilität und abrupten Übergängen führt. Darüber hinaus wurde im Rahmen des Projekts auch geklärt, unter welchen Bedingungen dies erfolgt.

Algorithmen anpassen

Laut Herbert gibt es große technische Schwierigkeiten bei der Untersuchung von Extremereignissen in komplexen Systemen. „Die größte Herausforderung besteht darin, dass wir an seltenen Ereignissen interessiert sind, die man, per Definition, nur selten beobachten kann“, sagt er. „Direkte numerische Simulationen des Systems verkleinern das Problem nicht wirklich, da Modelle für turbulente Strömungen oder das Klimasystem sehr rechenintensiv sind.“ Um dieses Stichprobenproblem zu lösen, wurden von mehreren Gruppen effiziente numerische Algorithmen entwickelt. „Als zweites Ziel sollte mit dem Projekt TransTurb aufgezeigt werden, dass diese Algorithmen angepasst werden können, um relevante Fragen im Zusammenhang mit seltenen Ereignissen in turbulenten Strömungen zu beantworten“, erklärt Herbert. „Auf der Basis der Expertise mit Algorithmen für seltene Ereignisse haben wir gezeigt, dass man mit solchen Algorithmen die typische Zeit zwischen zwei Vorkommnissen eines seltenen Ereignisses, die sogenannte „Rückkehrzeit“, evaluieren kann.“

Werkzeuge, die anderen Forschern zur Verfügung stehen

Viele der im Rahmen des Projekts entwickelten numerischen Werkzeuge stehen der Öffentlichkeit nun über Github zur Verfügung. „Damit sollte es für andere Forscherinnen und Forscher einfacher werden, unsere Methoden zu verbessern und zu erweitern und sie auf andere Systeme anzuwenden“, fügt Herbert hinzu. „Ich hoffe, das Projekt konnte der Physikgemeinschaft zeigen, dass es viele faszinierende Probleme in der Klimawissenschaft gibt, für die ihre Fähigkeiten nützlich sein können.“

Schlüsselbegriffe

TransTurb, turbulente Strömungen, Turbulenz, Atmosphäre, Wetter, Klima, Physik, äquatoriale Superrotation, Klimawissenschaft

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