Feldexperiment zu Wolken und Niederschlag unter Reinluftbedingungen

Wie wirken sich luft­ge­tra­gene Par­tikel, soge­nan­nte Aerosole, auf die Bil­dung und den Leben­szyk­lus von Wolken und Nieder­schlag aus? Um der Lösung dieser Frage einen Schritt näher zu kom­men, wer­den Atmo­sphären­wis­senschaftler des Leib­niz-Insti­tuts für Tro­posphären­forschung (Tro­pos) und des Leipziger Insti­tuts für Mete­o­rolo­gie (LIM) der Uni­ver­sität Leipzig für min­destens ein Jahr die Atmo­sphäre an einem der sauber­sten Orte der Welt beobacht­en. Dazu haben sie für das Pro­jekt DACAPO-PESO zwei Con­tain­er mit umfan­gre­ich­er Messtech­nik aus Leipzig nach Pun­ta Are­nas an der Mag­el­lanstraße in Süd­chile trans­portiert. Dort kooperieren die bei­den Insti­tute mit dem Labor für Atmo­sphären­physik der Mag­el­lan Uni­ver­sität (Umag), das neben der Bere­it­stel­lung der Infra­struk­tur für die Leipziger Instru­mente auch mit eige­nen Mes­sun­gen zu dem Pro­jekt beiträgt. Die Wahl fiel auf Pun­ta Are­nas weil die Stadt auf ver­gle­ich­bar­er geo­graphis­ch­er Bre­ite wie Deutsch­land liegt und damit Ver­gle­iche zwis­chen Nord- und Süd­hemis­phäre ermöglichen wird. Die Messkam­papgne ist Teil des inter­na­tionalen Jahres der Polar­vorher­sage (YOPP), mit dem durch inten­sive Mes­sun­gen die Wet­ter- und Kli­ma­vorher­sage für die Polar­re­gio­nen verbessert wer­den soll.

„Das Exper­i­ment wird es uns ermöglichen, die beobachteten regionalen Unter­schiede in der Effizienz der Eis­bil­dung in Wolken genauer zu erk­lären und die Rolle der Aerosole detail­liert­er zu beschreiben“, sagt Dr. Patric Seifert, Wis­senschaftler am Tro­pos und Ini­tia­tor von DACAPO-PESO. „Die Syn­ergien der viel­seit­i­gen Fern­erkun­dungsin­stru­mente sowie die darauf basierende Entwick­lung von neuar­ti­gen Auswerteal­go­rith­men wer­den genauere Ein­blicke in alle Schicht­en der Wolken geben. Ein Ziel wird z.B. sein, zu klären, ob die Eiskristalle in der aeroso­lar­men Atmo­sphäre von Pun­ta Are­nas häu­figer durch Berei­fung in Flüs­sig­wasser­schicht­en als durch Aggre­ga­tion wach­sen als in der Nord­hemis­phäre“, erk­lärt Jun.-Prof. Heike Kalesse von der Uni­ver­sität Leipzig .

Der Auf­bau der Messsta­tion in Pun­ta Are­nas erfol­gte im Novem­ber und Dezem­ber 2018 durch drei Wis­senschaftler von Tro­pos und Umag. Patric Seifert ist kurz vor Wei­h­nacht­en nach Leipzig zurück­gehrt und ist zufrieden mit dem bish­eri­gen Ver­lauf: „Alle Mess­geräte arbeit­en zuver­läs­sig und erste inter­es­sante Beobach­tun­gen wur­den bere­its gemacht. So wur­den reine Flüs­sig­wasser­wolken bei Tem­per­a­turen von um die ‑20°C beobachtet, was während ver­gle­ich­bar­er Mes­sun­gen in Deutsch­land nur äußerst sel­ten der Fall ist. Das kön­nte ein Indiz für wenig Eiskeime in der Süd­hemis­phäre sein.“

Die Entste­hung von Wolken und Nieder­schlag hängt im Wesentlichen von drei Para­me­tern ab: Luft­feuchtigkeit, Tem­per­atur, sowie die Ver­füg­barkeit und Art von Aerosol­par­tikeln, die als Keime für Wolken­tropfen und Eiskristalle dienen. Auch wenn wei­thin akzep­tiert ist, dass Wasser­dampf und Tem­per­atur die Wolken­prozesse dominieren, sind sich Wis­senschaftler noch uneins über den tat­säch­lichen Ein­fluss der Aerosol­par­tikel auf das Wet­tergeschehen. Bekan­nt ist, dass jed­er Wolken­tropfen und jed­er Eiskristall, der bei Tem­per­a­turen höher als ‑40°C entste­ht, die Ver­füg­barkeit eines Tropfen- oder Eiskeims voraussetzt.

In Deutsch­land und anderen Regio­nen in den mit­tleren Bre­it­en der Nord­hal­bkugel entste­ht der meiste Nieder­schlag (in der freien Tro­posphäre) zwis­chen zwei und zwölf Kilo­me­tern über dem Boden. Diese Luftschicht­en sind durch Aerosol­par­tikel aus vom Men­schen verur­sachter Luftver­schmutzung, Wüsten­staub und Wald­brän­den geprägt. In den mit­tleren Bre­it­en der Süd­hal­bkugel fehlen diese Par­tikel größ­ten­teils, weil dort mehr Ozeane und wesentlich weniger Indus­trie, Wüsten und Waldge­bi­ete zu find­en sind. Ändert sich die Menge der ver­füg­baren Aerosol­par­tikel in der Atmo­sphäre, verän­dert sich auch die Menge der gebilde­ten Wolken­tropfen und Eiskristalle. So lässt sich erk­lären, dass Flüs­sig­wasser­wolken über den stark mit Aerosol belasteten Regio­nen Europas oder Südostasiens aus wesentlich mehr Tropfen beste­hen. Im Gegen­satz dazu beste­hen Flüs­sig­wasser­wolken in weniger ver­schmutzten Regio­nen wie über den Ozea­nen oder den Polarge­bi­eten aus weniger und häu­fig auch größeren Tropfen.

Das Wis­sen über die Zusam­men­hänge zwis­chen Aerosol­par­tikeln und Wolken stammt über­wiegend aus Mes­sun­gen in der ver­schmutzteren Nord­hemis­phäre. Darüber, wie diese Prozesse unter den deut­lich sauber­eren Bedin­gun­gen der Süd­hemis­phäre ablaufen, ist aber im Detail noch rel­a­tiv wenig bekan­nt. Daher ent­stand am Tro­pos die Idee zum Feld­ex­per­i­ment DACAPO-PESO (Dynam­ics, Aerosol, Cloud and Pre­cip­i­ta­tion Obser­va­tions in the Pris­tine Envi­ron­ment of the South­ern Ocean), das einen Ref­eren­z­daten­satz liefern soll. Um die Sit­u­a­tion im Nor­den gut mit der im Süden ver­gle­ichen zu kön­nen, fiel die Wahl daher auf einen Stan­dort, der unge­fähr auf der gle­ichen geo­graphis­chen Bre­ite wie Deutsch­land liegt und deshalb ähn­liche Tem­per­atur- und Klimabe­din­gun­gen hat. Die Süd­hal­bkugel ist in diesen Bre­it­en mit Aus­nahme von Südameri­ka von Ozea­nen bedeckt und Langzeitmes­sun­gen sind auf dem Meer in diesem Umfang nicht prak­tik­a­bel. Daher fiel die Wahl auf Chile, wo die Forsch­er aus Leipzig (52°N) mit der Mag­el­lan-Uni­ver­sität in Pun­ta Are­nas (53°S) einen Koop­er­a­tionspart­ner fan­den. Südameri­ka ste­ht ger­ade im Fokus der inter­na­tionalen Atmo­sphären­forschung: Knapp 3000 km nördlich find­et in Argen­tinien und dem südlichen Brasilien zur Zeit eine groß angelegte Messkam­pagne ver­schieden­er Uni­ver­sitäten und Insti­tu­tio­nen aus den USA statt: RELAMPAGO-CATI unter­sucht die Enste­hung von Gewit­tern, um die Vorher­sage von Hagel und Tor­na­dos zu verbessern.

In den let­zten Jahren sind die ver­füg­baren Tech­niken für die kon­tinuier­liche Beobach­tung von Aerosolen und Wolken extrem fort­geschrit­ten. Mit Lidar- und Radarg­eräten wie dem „Leipzig Aerosol and Cloud Remote Obser­va­tion Sys­tem“ (LACROS) lässt sich vom Erd­bo­den aus die Struk­tur von Wolken- und Aerosolschicht­en sowie von Nieder­schlag mit hohen Auflö­sun­gen im Bere­ich von Sekun­den und Metern erfassen. In der Messkam­pagne DACAPO-PESO kom­men ins­ge­samt drei Lidarsys­teme zur Erfas­sung der Aerosoleigen­schaften zum Ein­satz. Zusät­zlich beobacht­en drei unter­schiedlich kon­fig­uri­erte Radarsys­teme die Struk­tur von Wolken und Nieder­schlag. Die Radare sowie ein soge­nan­ntes Doppler-Lidar liefern zudem Infor­ma­tio­nen über die für Wolken­bil­dung so wichtige Ver­tikalbe­we­gung der Luft. Denn diese Ver­tikalbe­we­gun­gen führen zu Abküh­lung. Dadurch steigt die rel­a­tive Luft­feuchtigkeit an und es kann zu Wolken­bil­dung kom­men. Regensen­soren erfassen die Größe und Art des am Boden ank­om­menden Nieder­schlages, ein Mikrow­ellen­ra­diome­ter bes­timmt die in der Atmo­sphäre vorhan­dene Menge an Wasser­dampf und Flüs­sig­wass­er, und Strahlungsmess­geräte doku­men­tieren den Ein­fluss der Aerosole und Wolken auf die auf der Erdober­fläche ank­om­mende Energie. Die meis­ten der Geräte sind Teil der LACROS-Sta­tion des Tro­pos, die durch ein neues Doppler­radar des LIM sowie ein Lidar der Umag ver­stärkt wird. Alle Mes­sun­gen zusam­men liefern ein detail­liertes Bild über das Wet­tergeschehen in der sauberen Atmo­sphäre über Pun­ta Are­nas. Durch die anvisierte lange Zeitrei­he an Mes­sun­gen von min­destens einem Jahr kommt somit ein umfassender Daten­satz zusam­men. Dieser wird den Wis­senschaftlern als Ref­erenz für den Ver­gle­ich gegenüber dem Wet­tergeschehen in den stark von Aerosol belasteten gemäßigten Bre­it­en der Nord­hemis­phäre dienen. Die Auswer­tung erfol­gt dabei teil­weise im Rah­men der Europäis­chen Infra­struk­tur­pro­jek­te ACTRIS, Cloud­net und EARLINET sowie in Koop­er­a­tion mit dem Kon­sor­tium des Polar­vorhesage-Jahres (Year of Polar Pre­dic­tion, YOPP), dem Schw­er­punk­t­pro­gramm SPP2115 „PROM“ der Deutschen Forschungs­ge­mein­schaft (DFG) und einem vom LIM geleit­eten Pro­jek­ts des Europäis­chen Sozial­fonds (ESF).