28. Januar 2016

Ko­or­di­nier­te Mess­flü­ge für die Kli­ma­for­schung: Schwe­re­wel­len und leuch­ten­de Luft

Das For­schungs­flug­zeug HA­LO bei der Lan­dung
Bild 1/4, Credit: DLR/Andreas Minikin (CC-BY 3.0).

Das Forschungsflugzeug HALO bei der Landung

HA­LO ba­siert auf ei­nem Ul­tra Long Ran­ge Busi­ness Jet G 550 der Fir­ma Gulf­stream. Die Kom­bi­na­ti­on aus Reich­wei­te, Flug­hö­he, Nutz­last und um­fang­rei­cher In­stru­men­tie­rung macht das Flug­zeug zu ei­ner welt­weit ein­zig­ar­ti­gen For­schungs­platt­form.
Die Fal­con beim Start im nord­schwe­di­schen Kiru­na
Bild 2/4, Credit: DLR/Andreas Minikin (CC-BY 3.0).

Die Falcon beim Start im nordschwedischen Kiruna

Die Fal­con kann bis zu 1100 Ki­lo­gramm Nutz­last an wis­sen­schaft­li­chen In­stru­men­ten auf­neh­men. Die In­stru­men­te wer­den in- und un­ter­halb der Ka­bi­ne so­wie un­ter den Trag­flä­chen in­stal­liert. Zu ih­nen ge­hö­ren un­ter an­de­rem ein Strö­mungs­mess­ge­rät, der so ge­nann­te Na­sen­mast und An­ten­nen, die sich au­ßer­halb des Flug­zeugs be­fes­ti­gen las­sen.
Dif­fe­renz­bild mit Kar­te
Bild 3/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Differenzbild mit Karte

Die bei­den ers­ten Bil­der zei­gen die Ver­än­de­rung ei­nes Schwe­re­wel­len-Fel­des in­ner­halb we­ni­ger Se­kun­den. Die schwarz-wei­ßen Punk­te sind Res­te der Ster­ne, die nicht gänz­lich her­aus­ge­rech­net und durch das Dif­fe­renz­bild ver­stärkt wur­den. Das Bild ganz rechts Bild zeigt das nörd­li­che Skan­di­na­vi­en. Der ro­te Pfeil sym­bo­li­siert die Po­si­ti­on des DLR-For­schungs­flug­zeugs Fal­con. Die blau­en Punk­te sind bo­den­ge­bun­de­ne Mess­sta­tio­nen.
Die For­schungs­flug­zeu­ge HA­LO und Fal­con vor dem Han­gar in Kiru­na
Bild 4/4, Credit: DLR/Andreas Minikin (CC-BY 3.0).

Die Forschungsflugzeuge HALO und Falcon vor dem Hangar in Kiruna

Mit den For­schungs­flug­zeu­gen HA­LO (High Al­titu­de LOng Ran­ge Re­se­arch Air­craft) und Fal­con flo­gen die At­mo­sphä­ren­for­scher vom nord­schwe­di­schen Kiru­na aus ko­or­di­nier­te Mess­flü­ge.

Schwerewellen beeinflussen das Klima und unser Wetter. Erstmals ist es Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit Kollegen des Karlsruher Instituts für Technologie (Karls­ru­her In­sti­tut für Tech­no­lo­gie), des Forschungszentrums Jülich sowie weiteren nationalen und internationalen Partnern gelungen, den Lebenszyklus von atmosphärischen Schwerewellen nahezu vollständig zu vermessen. Mit den Forschungsflugzeugen HALO (High Altitude LOng Range Research Aircraft) und Falcon flogen die Atmosphärenforscher vom nordschwedischen Kiruna aus koordinierte Messflüge.

Schwerewellen sind von der Schwerkraft getriebene Schwankungen von Luftmassen. Sie werden in den unteren Schichten der Atmosphäre angeregt, wenn Luftmassen beispielsweise über Berge strömen. Um das bisher unzureichend erforschte Wetterphänomen zu untersuchen, filmen die Wissenschaftler mit einer speziellen Kamera das Aufeinandertreffen von Schwerewellen im sogenannten "Luftleuchten" in etwa 85 Kilometer Höhe. Dieses "Luftleuchten" wird durch chemische Reaktionen in diesem Höhenbereich verursacht. Zusätzlich verwenden die Wissenschaftler unterschiedliche Instrumente: Lasergeräte für die Wind-, Spurengas- und Aerosoldetektion, ein abbildendes Infrarotspektrometer zur Fernerkundung der drei-dimensionalen Verteilung von Temperatur und Spurengasen sowie Geräte für die in-situ Messung der Konzentration von Spurengasen in der Atmosphäre. Die Ergebnisse dieser Experimente helfen dabei, Klimamodelle und Wettervorhersagen zu verbessern.

Fehlendes Puzzlestück in Klimamodellen

Studien zum Phänomen Schwerewellen gab es bereits viele. Allerdings wurden sie meist entweder in den unteren oder in den oberen Atmosphärenschichten erforscht. Die einzelnen Schichten der Atmosphäre befinden sich aber in einem ständigen Austausch. Deshalb untersuchen die Wissenschaftler des DLR-In­sti­tuts für Phy­sik der At­mo­sphä­re und des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums im Projekt GW-LYCLE ("Gravity Wave Life Cycle") gemeinsam mit ihren Partnern das Entstehen, die Ausbreitung und schließlich das Brechen von Schwerewellen auf ihrem Weg durch die Atmosphäre.

Schwerewellen entstehen in den unteren Schichten der Atmosphäre (Troposphäre) und transportieren Energie und Impuls in die höheren Schichten (Strato- und Mesosphäre, circa 10 bis 100 Kilometer Höhe). Dort werden sie instabil und brechen, was Einfluss auf die Temperatur, die Luftzirkulation und langfristig auch auf das Klima hat. Um die dynamischen Prozesse zwischen den Schichten der Atmosphäre präzise beschreiben zu können, müssen die Schwerewellen in bestehenden Klima- und Wettermodellen entweder direkt berechnet oder ihre Effekte vereinfacht dargestellt werden.

Das Problem: Schwerewellen sind vergleichsweise sehr kleinräumige Phänomene und deshalb extrem schwer zu messen. "Bisher ist es noch niemandem gelungen, ihre Eigenschaften vollständig zu erfassen und korrekt in ein Klima- oder Wettervorhersagemodell zu integrieren", erklärt Prof. Markus Rapp, Direktor des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre. "Durch die Kombination erprobter Messinstrumente mit der neu am DLR entwickelten 'Airglow-Kamera FAIM' ist es uns gelungen, die Schwerewellen von ihrem Anregungsniveau in der unteren Atmosphäre bis zum Ort ihres Brechens in der oberen Atmosphäre zu verfolgen." Ein besseres Verständnis der Effekte von Schwerewellen auf Atmosphäre und Wetter hilft, exaktere Modelle für eine bessere Klimaforschung und eine präzisere, mittelfristige Wetterprognose zu erstellen.

Leuchtende Tsunamis in der Atmosphäre

Dazu fliegen die beiden Forschungsflugzeuge HALO und Falcon koordinierte Messflüge am nordschwedischen Nordpolarkreis. HALO fliegt dabei in 15 Kilometer Höhe in der Tropopause, dem Übergang von Tropo- zu Stratosphäre. "HALO fliegt und misst in dem spannenden Übergangsbereich der atmosphärischen Schichten. Falcon hingegen fliegt wesentlich tiefer und richtet seine Messinstrumente zum Teil nach unten und zum Teil nach oben, in bis zu 85 Kilometer Höhe aus", erklärt Oliver Brieger, Leiter des DLR-Forschungsflugbetriebes. Im Ergebnis orchestrieren die installierten Messinstrumente ein Gesamtbild des ansonsten fast unmöglich ganzheitlich zu erfassenden Schwerewellen-Phänomens. Als eine der ersten Wissenschaftlergruppen weltweit konnten die DLR-Wissenschaftler so das Luftleuchten und die sich darin auflösenden Schwerewellen vom Flugzeug aus beobachten. "Das hat den entscheidenden Vorteil, dass sich der Ausbreitungscharakter der Wellen ungleich besser erfassen lässt", betont Prof. Bittner der die Kamera mit seinen Mitarbeitern entwickelt hat. "Dadurch, dass wir eine viel größere Untersuchungsfläche als in früheren Studien beobachten, können wir direkt zusehen, in welche Richtung sich die Schwerewellen ausbreiten."

Weitere Bilder der Atmosphärenforscher aus unserem Flickr-Al­bum

Projektpartner ergänzen die Messungen

Zusätzlich zu den Messflügen beziehen die Wissenschaftler noch Daten ihrer Projektpartner. Die Uni Stock­holm steuert Messergebnisse ihrer am Boden angebrachten Instrumente bei. In Norwegen ergänzt das Leib­niz-In­sti­tut für At­mo­sphä­ren­phy­sik in Küh­lungs­born die Versuche des DLR-In­sti­tuts für Phy­sik der At­mo­sphä­re, welches in Finnland ebenfalls bodengebundene Lasergeräte betreibt. Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum betreibt parallel zu der flugzeuggetragenen Airglow-Kamera FAIM eine weitere bodengebundene Kamera in Kiruna sowie bodengebundene GRIPS-Spektrometer in ALOMAR (Norwegen) und in Kiruna. Das GW-LCYCLE Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Die HALO-Messungen werden im Rahmen der vom KIT, dem DLR und der Uni­ver­si­tät Frank­furt koordinierten POLSTRACC/GW-LCYCLE/SALSA-Messkampagne durchgeführt.

Über HALO

Das Forschungsflugzeug HALO ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. Gefördert wird HALO durch Zuwendungen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der Helmholtz-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Leibniz-Gemeinschaft, des Freistaates Bayern, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ, des Forschungszentrums Jülich und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

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