Bald soll es Simulationen geben, die im Fall eines Vulkanausbruchs nicht mehr die Sperre des Luftraums nötig machen

Leonardo da Vinci schrieb: "Wer die Mathematik verachtet, stürzt sich in das Chaos der Gedanken." Viele Vorgänge auf Erden und im Universum sind so komplex, dass mathematische Methoden helfen müssen, sie einzuordnen und zu begreifen. Klassisch basiert die Forschung in den meisten Naturwissenschaften auf zwei Säulen: der Theorie und dem Experiment.

Mit der rasanten Entwicklung der Computertechnologie etabliert sich auch das wissenschaftliche Rechnen, mit dem die numerische Simulation neben diese beiden Säulen tritt. Ziel: die Anzahl teurer Experimente zu verringern oder komplett zu ersetzen. Doch stößt diese interdisziplinäre Disziplin auch an ihre Grenzen.

Völlig unbedeutend

Der Ausbruch des Laki auf Island im Jahr 1783 führte zu einem ungewöhnlich kalten Winter. Der Ausbruch des El Chichon in Mexiko 1982 soll ein globales Temperaturminus von etwa 0,2 Grad verursacht haben. Der Ausbruch des philippinischen Vulkans Pinatubo 1991 senkte die globale Temperatur Schätzungen zufolge um etwa ein halbes Grad. Und der aktuellen Ausbruch des isländischen Eyjafjallajökull? Das weiß man noch nicht, wenngleich die derzeitige Aktivität des Vulkans "erdgeschichtlich völlig unbedeutend ist", sagt Hans Egger von der Geologischen Bundesanstalt des Wissenschaftsministeriums.

Der Wissenschafter hat in Salzburg geologische Schichten entdeckt, die von massiven vulkanischen Aktivitäten in Island vor 54 Millionen Jahren zeugen. Aus der Menge und Analyse des abgelagerten Materials errechnete Egger mit Ewald Brückl vom Institut für Geodäsie und Geophysik an der TU Wien, dass damals 21.000 Kubikkilometer Vulkanasche in die Luft geschleudert worden waren, was die globalen Temperaturen um bis zu zwei Grad gesenkt hat.

Nun würde man meinen, dass ein Großrechner, mit allen bisher eruierten Vulkan-Daten gefüttert und mit einem Algorithmus versehen, eine ganz passable Simulation auch für die Auswirkungen des Eyjafjallajökull-Ausbruchs zustande bringt. "Ganz so einfach ist es nicht", erklärt Brückl, "denn das wissenschaftliche Rechnen ist nicht nur von etablierten Rechenmodellen und -leistungen abhängig, sondern besonders von den Eingangsdaten."

"Und genau da haben wir im aktuellen Fall zwei entscheidende Unsicherheitsfaktoren gehabt", ergänzt Reinhold Steinacker, Vorstand des Instituts für Meteorologie und Geophysik an der Uni Wien. "Doch ich glaube, dass wir daraus gelernt haben und in Zukunft bessere Simulationen zur Hand haben werden, anhand derer nicht mehr der gesamte Luftkorridor gesperrt werden muss."

Wettermodell als Basis

Die Vorhersage über die Ausbreitung der Aschenwolke basiere auf den gängigen Modellen für die Wettervorhersage. Doch müssten alle relevanten Quelldaten mit den Simulationsprogrammen gefüttert werden. "Wir wussten aber weder, welche Menge an Asche ausgestoßen wurde, noch wie hoch die Aschensäule hinaufreichte", erklärte Steinacker. Diese zwei Parameter wären jedoch neben den bekannten Daten über Zirkulation, Feuchtigkeit, Windstärke und -richtung sowie Temperatur, Luftdruck und anderen Inputs für eine Simulation der Aschenausbreitung nötig gewesen. "Wir waren angewiesen auf optische Wahrnehmungen, die Hubschrauberpiloten an den Rändern der Aschensäule gemacht haben", erklärt Steinacker. "Dies ist natürlich viel zu ungenau."

Aufgrund dieser unbefriedigenden Situation überlege man sich für die Zukunft, unbemannte, mit Messgeräten ausgestattete Drohnen in die Aschensäulen zu schicken. Das koste natürlich Geld, da die Drohnen mit der Zeit aufgrund der Luftpartikel kaputtgingen, aber nur regelmäßige Messungen eine Datensicherheit brächten. "Ich denke aber", so Steinacker, "dass die EU in ähnlichen Fällen künftig die finanziellen Mitteln dafür zur Verfügung stellen wird." Immerhin wäre es dann möglich, aufgrund wesentlich genauerer Simulationen statt des gesamten EU-Luftraums nur noch die tatsächlich riskanten Korridore zu sperren, was der Wirtschaft wiederum Millionen Euro an Einsparungen brächte. Das Thema wird auch auf der Tagung der European Geosciences Union von 2. bis 7. Mai in Wien diskutiert.

Für die Meteorologie sei das wissenschaftliche Rechnen und damit die Simulation heute jedenfalls das Um und Auf, bestätigt Steinacker: "Für Echtzeitprognosen muss der Rechner schneller sein als die Natur." Steinackers Institut kann dabei auch auf den Vienna Scientific Cluster (VSC) zurückgreifen, einen gemeinsamen Supercomputer von TU Wien, Uni Wien und Boku. Der VSC ist der schnellste Rechner Österreichs und zählt zu den leistungsfähigsten Computern der Welt.

Urknall im Computer

Diese Leistung nutzt neben vielen anderen derzeit auch das Institut für Theoretische Physik der TU Wien, das derzeit eines der rechenintensivsten Forschungsprojekte am VSC laufen hat. Die Wissenschafter erforschen das Verhalten subatomarer Teilchen bei Schwerionenkollisionen, wie sie demnächst am Large Hadron Collider (LHC) des Cern in Genf durchgeführt werden sollen. Auf Simulationen und Modelle setzt auch die Forschungsplattform für Wissenschaftliches Rechnen an der Uni Innsbruck, die nun mithilfe des FWF ein internationales Doktoratskolleg für Computational Interdisciplinary Modelling eingerichtet hat. Eines bleibt jedoch offen: die Qualitätssicherung der Computermodelle.

"Modell Checking" ist der Begriff dafür, hier holt sich Österreich internationales Renommee. Intelligente Analyseprogramme auf Basis solider Mathematik können dabei die Computerprogramme lesen und automatisch auf logische Fehler und Sicherheitsrisiken untersuchen. Dazu veranstaltet das Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg am 6. und 7. Mai das Symposium "Reactive Modeling in Science and Engineering". (Andreas Feiertag/DER STANDARD, Printausgabe, 28.04.2010)