Strahlungsmessgeräte des Tropos von der Umag auf dem Dach des Hauptgebäudes der Universität in Puenta Arenas. Bild: Patric Seifert, TroposStrahlungsmessgeräte des Tropos von der Umag auf dem Dach des Hauptgebäudes der Universität in Puenta Arenas. (Bild: Patric Seifert, Tropos)
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).