20. Feb. 2020
Aussicht mit Cloudkite-Ballon.

Aussicht mit Cloudkite-Ballon.

Ein Beitrag von Johannes Güttler

Stellen Sie sich vor, Sie möchten am Sonntag schön grillen, aber der Wetterbericht scheint ziemlich unentschlossen zu sein, ob es regnen wird oder nicht. Sie fragen sich: "Wie schwer kann es sein, vorherzusagen, ob es regnet? Es scheint, dass die Prognosen immer falsch sind!"

Als Wissenschaftler stehen wir täglich vor dieser Herausforderung. Es stellt sich heraus, dass die Schwierigkeit bei der Vorhersage von Regen auf den massiven Unterschied in den Skalen zurückzuführen ist, die an seiner Entstehung beteiligt sind: Große wolkige Flecken können Tausende von Kilometern überspannen, aber gleichzeitig bilden sich Regentropfen aufgrund der Kollisionen einzelner Wolkentröpfchen etwa 1/100 Millimeter groß. Gegenwärtig kann keine Simulation auf der Welt sowohl diese sehr großen als auch die sehr kleinen Skalen gleichzeitig auflösen. Wenn man einen Kubikzentimeter (1 cm x 1 cm x 1 cm) einer typischen Wolke einfängt und eine Lupe dazu nimmt, findet man durchschnittlich etwa 100 Wolkentröpfchen in diesem Volumen! (In Wirklichkeit wäre es schwierig, die Partikel mit einer Lupe zu sehen, und deshalb verwenden wir Laser und hochauflösende Kameras, um die Tröpfchen zu sehen.)

Eine Lösung für das Problem heißt "Parametrisierung". Dies bedeutet einfach, dass wir die großräumigen Bewegungen von Wolken bis zu einer bestimmten Größe, beispielsweise einigen Kilometern, berechnen und die Simulation dann anweisen, eine einzelne Zahl, einen Parameter, für alles was kleiner ist. Ein Beispiel für einen solchen Parameter ist die Anzahl der Kollisionen von Wolkentröpfchen pro Volumen. Es sagt uns, wie schnell die Regentropfen aus Wolkentröpfchen wachsen würden, winzigen Wassertropfen, die noch nicht groß genug sind, um zu fallen, wenn der Regen aufgrund der Schwerkraft fällt.

Eine Schwierigkeit besteht darin, dass Wolken von Natur aus turbulent sind. Turbulente Wirbel bewegen die Tröpfchen herum und zwingen sie zu Clustern oder können sie von ihrem Weg ablenken. Die Turbulenzen in den Wolken sind sehr hoch und es ist bekanntermaßen schwierig, wenn nicht unmöglich, sie in einem Labor oder in Simulationen zu replizieren. Das Labor müsste extrem groß sein, da Turbulenzen durch die größte Länge seiner Entstehung angetrieben werden und Simulationen mit einer sogenannten "Nichtlinearität" zu kämpfen haben, was in der Praxis bedeutet, dass enorme Mengen an Rechenleistung benötigt werden. Daher sind noch Messungen realer Wolken erforderlich, um diese Parameter zu erhalten.

Wolkendecke um Barbados vom NOAA GOES-Satelliten aus gesehen.

Bild: NOAA

Die Crew bei der Arbeit.

Bild: Johannes Güttler

Erwartung vs. (oft) Realität bei der Jagd nach Wolken. Kleiner Punkt: Cloudkite-Ballon.

Bild: Johannes Güttler
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Wolkendecke um Barbados vom NOAA GOES-Satelliten aus gesehen.

Bild: NOAA

Die Crew bei der Arbeit.

Bild: Johannes Güttler

Erwartung vs. (oft) Realität bei der Jagd nach Wolken. Kleiner Punkt: Cloudkite-Ballon.

Bild: Johannes Güttler

Nehmen wir an, Sie haben eine gute Idee für ein neues Instrument, das die Bewegung und Geschwindigkeit von Wolkentröpfchen misst. Dazu müssen Sie lediglich Ihr Instrument in eine Wolke bringen. Was hier beschrieben wird, ist - in etwas vereinfachter Form - die Idee des MPI DS Cloudkite-Projekts. Sie überprüfen die durchschnittliche Bewölkung (wie viel des Himmels zu einem bestimmten Zeitpunkt von Wolken bedeckt ist) und stellen fest, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt 68 Prozent der Erde mit Wolken bedeckt sind. "Das ist großartig!", denken Sie. "Alles was ich tun muss, ist mein Instrument an einen Ballon zu hängen und dann darauf zu warten, dass die Wolken zu mir kommen."

Sie befestigen dann Ihr Instrument an Ihrem Ballon, hoffen, dass alles reibungslos läuft (was normalerweise nicht der Fall ist - zumindest anfangs nicht) und warten… Nur um herauszufinden, dass die Trübung nicht die ganze Geschichte erzählt: Wolken kommen in vielen verschiedenen Formen vor Formen, Größen und Dicken und finden sich auf der Oberfläche (als Nebel) bis zu einer Höhe von etwa 80 Kilometern (als nachtleuchtende Wolken). Die genannten 68 Prozent enthalten alle Wolken in allen Höhen und können viele dünne Wolken enthalten.

Glücklicherweise befindet sich der Großteil der Wolken in der unteren Schicht der Atmosphäre, der Troposphäre, die sich vom Boden bis zu etwa 7 bis 20 km erstreckt, wobei der niedrigere Wert das Minimum um die Pole und der höhere Wert das Maximum um die Pole ist Äquator. Die meisten Wolken befinden sich oberhalb der planetaren Grenzschicht, einer turbulenten Schicht zwischen 100 m und 2 km Höhe, die häufig die Wolkenbasis (den unteren Rand der Wolken) markiert. Unser Ballon ist an eine lange und leichte Leine gebunden. Damit können wir eine Höhe von bis zu 2 km erreichen, was es ideal macht, diesen unteren Teil der Wolken zu messen.

Während der EUREC4A-Kampagne verbringen wir ein Großteil unserer Zeit damit, den aktuellen Wolkenstandort anhand von Radar-, Lidar- und Satellitenbildern sowie anhand aktueller Vorhersagen für eine geringe Wolkendecke abzuschätzen. Wir sehen normalerweise Werte zwischen 15 und 25 Prozent. Die Batterielebensdauer ist ein einschränkender Faktor, daher muss beim Einschalten unserer Instrumente mit dem höchsten Stromverbrauch Vorsicht geboten sein. Leider dauert es auch einige Minuten, um die Laser dieser Instrumente für das Brennen vorzubereiten. Was wir suchen, ist eine beständige Wiederholung von Wolken, nicht nur ein einziger kleiner Zug, der verschwunden ist, sobald wir ihn auf unseren Bildschirmen sehen. Auf einem Forschungsschiff wie der Maria S. Merian zu sein, hat einen Vorteil, da wir einige größere Wolken aktiv verfolgen können. Oft gibt es eine vorherrschende Windrichtung, die uns hilft, die Richtung abzuschätzen, in die sich eine Wolke bewegen wird. Wir würden mit dem Kapitän kommunizieren und mit etwas Glück innerhalb von 10 bis 15 Minuten zu einer bestimmten Wolke gelangen. Um die richtige Höhe für den Ballon abzuschätzen, ist einiges an Vermutungen erforderlich. Selbst wenn wir auf eine Regenwolke treffen, möchten wir in der richtigen Höhe sein, in der wir die Entstehung der Regentropfen sehen können und nicht zu niedrig oder zu hoch, wo wir diesen Prozess vermissen. Es erfordert auch viel Engagement, um ein solches Experiment rund um die Uhr durchzuführen. Daher sind Nachtschichten und viel Kaffee / Tee an der Jagd nach den Wolken beteiligt. Am Ende hatten wir schon einige Male Glück und freuen uns darauf, unsere Ergebnisse bald mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft und der Öffentlichkeit zu teilen!