Att flyga genom en fläck av svår och oväntad turbulens är en oförglömlig, oroande och ibland smärtsam upplevelse för tiotusentals passagerare varje år.

Flygplanet ryser våldsamt, din plats verkar falla bort under dig och, om du inte är fastspänd, du kan snabbt hitta dig själv och din matbricka flygande mot kabintaket.

Enligt de bästa uppskattningarna, svåra turbulensrelaterade skador står för 7, 000 förlorade arbetsdagar för flygvärdinnor och turbulens kostar branschen hundratals miljoner pund om året. Och, ibland, det kan vara dödligt. På mindre flygplan är det ansvarigt för omkring 40 människors dödsfall varje år bara i USA.

Ta itu med besväret med turbulens

Tack vare Paul Williams arbete, Professor i atmosfärsvetenskap vid University of Reading, flygbolagen har ett smartare sätt att undvika störande turbulens under flygningen. Med kollegor från USA, och med stöd från NERC, han har utvecklat ett prognossystem som bättre förutsäger områden med turbulens timmar i förväg, gör det möjligt för piloter att omdirigera sina flygningar till smidigare och säkrare resor.

"Turbulens är den främsta orsaken till skador på flygpassagerare och flygvärdinnor. Sedan vår prognosmodell antogs av amerikanska myndigheter 2015, vi uppskattar att det har bidragit till att förbättra komforten och säkerheten för flygningar på upp till 2,5 miljarder passagerarresor."

Även om det finns många former av turbulens, vissa är mer besvärliga än andra. En vanlig form, kallas konvektiv turbulens, förekommer i och runt åskväder. Kraftfulla uppströmmar i hjärtat av en storm kan pressa flygplan upp eller ner med upp till 100 fot. Tack och lov, åskväder dyker upp på radarn och kan upptäckas av det mänskliga ögat, vilket gör det relativt lätt att undvika.

Undviker det osynliga

Mycket mer utmanande för piloter är turbulens i luften, som är osynlig och ofta slår till utan förvarning.

Paulus säger:"Det kommer ur det blå, bokstavligen. Den som har flugit några gånger kommer att ha flugit igenom den. Det är den sorten som kan skada människor om de inte använder säkerhetsbälte."

I maj 2017, 27 personer skadades när Aeroflot-flyget SU270 träffade turbulens i klar luft när de förberedde sig för landning i Bangkok. Några passagerare bröt ben när planet rasade och de kastades i taket. Den våldsamma buffringen kan också skada flygplan. I december 1992 ett flygplan träffade en ficka av klarluftsturbulens över Colorado som slet ut sex meter av dess vänstra vinge och tog bort en av dess fyra motorer.

Klar luftturbulens finns vanligtvis på relativt höga höjder, vanligtvis över 20, 000 fot. Det är också nära kopplat till jetströmmar, den snabbrörliga, smala luftband som rusar genom atmosfären flera kilometer över marken.

Gränserna för jetströmmar – där korridoren av snabb luft möter den långsammare omgivande luften – är instabila och kaotiska, och sprida kraftfulla vindvirvlar i den omgivande atmosfären. Om ett plan flyger genom en av dessa virvlar, den snabbt rörliga luften slår sina vingar, vilket gör att den plötsligt tappar eller tar höjd.

Rider på gravitationsvågen

Dock, jetströmmen är bara en del av bilden. Under Pauls NERC-finansierade Ph.D. vid University of Oxford i början av 2000-talet, han undersökte gravitationsvågornas roll i skapandet av turbulens i klar luft.

Atmosfäriska gravitationsvågor bildas när luften störs – till exempel genom att tvingas upp över en bergskedja eller av en väderfront. Luftpaket rör sig sedan upp och ner som vågor i havet när gravitationsvågorna strömmar över himlen. Atmosfären är full av dem och de kan ibland ses som randiga moln eller stora krusningar på ytan av ett hav. Om en jetström i sig inte räcker för att släppa lös turbulens i klar luft, tillägget av kraftfulla gravitationsvågor i samma region av atmosfären kan göra jobbet.

Paul utvecklade ett praktiskt prognosverktyg för turbulens i klar luft som antogs av de amerikanska myndigheterna 2015. Modellen ser 18 timmar in i framtiden för att förutsäga det sannolika beteendet hos jetströmmen. Den använder sedan en ekvation för att avslöja var gravitationsvågor genereras och var fläckar av klarluftsturbulens är mest sannolikt att bildas. Om det finns måttlig turbulens som påverkar flyget, Algoritmen förutsäger det framgångsrikt 83 % av gångerna.

Modellen förutsäger alla styrkor av turbulens i klar luft - från de lättare formerna som orsakar rysningar och skakningar, till de sällsynta, men potentiellt farligt, sådana som kan orsaka skador på besättning och passagerare, eller skada på flygplan. Men, samt minska skador och skador, det har en annan fördel. Turbulens är den underliggande orsaken till många människors rädsla för att flyga – en fobi som drabbar upp till fyra av tio personer.

Paul hoppas att modellen, som är fritt tillgänglig för alla att använda, kommer att antas över hela världen. Dock, eftersom flygsäkerheten är strikt reglerad, några ändringar kommer inte att ske omedelbart. Modellen kommer att bli viktigare i framtiden eftersom Paul också har visat att turbulens i klar luft sannolikt kommer att bli vanligare när världen fortsätter att värmas upp. Han förutspår att mängden turbulens i jetströmmarna kommer att ha fördubblats eller tredubblats fram till perioden 2050-2080.

Han säger:"Om det här är framtiden för flyget, det blir ännu viktigare att vi ger flygplanen chansen att undvika potentiellt skadlig turbulens."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av Planet Earth online, en fri, medföljande webbplats till den prisbelönta tidskriften Planet Earth publicerad och finansierad av Natural Environment Research Council (NERC).