Flugkampagne zur Vermessung von Schwerewellen

Schwerewellen beeinflussen das Klima und unser Wetter. Erstmals ist es gelungen, den Lebenszyklus von atmosphärischen Schwerewellen nahezu vollständig zu vermessen.

Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Kollegen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Forschungszentrums Jülich sowie weiteren nationalen und internationalen Partnern ließen dazu die Forschungsflugzeuge HALO (High Altitude LOng Range Research Aircraft) und Falcon mit Atmosphärenforschern vom nordschwedischen Kiruna aus koordinierte Messflüge fliegen.

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.

Puzzlestück für Klimamodelle

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 zehn 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.”

Messdaten vom Erdboden

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 e.V. 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.

Auf den Fotos

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. (Quelle: DLR/Andreas Miniki)

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. (Quelle: DLR/Andreas Minikin)

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. (Quelle: DLR 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. (Quelle: DLR/Andreas Minikin)

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