Wolkenmessungen am Äquator

Wie entsteht Regen? Fallen aus einer Wolke Regentropfen oder zieht sie doch ohne Regen vorbei? Diese Fragen wollte das Team aus fünf Grundlagenforschern um Eberhard Bodenschatz, Direktor am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) auf ihrer Reise von Montevideo in Uruguay nach Las Palmas auf Gran Canaria auf dem Forschungsschiff Maria S. Merian herausfinden.

Dazu haben sie den CloudKite, einen dafür neuentwickelten Ballondrachen, inklusive einer Messgondel mit an Bord genommen. Denn die Frage, wie aus Millionen mikrometergroßen Wassertröpfchen in einer Wolke tausendfach größere Regentropfen heranwachsen, treibt die Physiker und Meteorologen um.

Ihr Ziel: Die Mikrophysik sowie die Rolle der Turbulenz in den Wolken genauer zu verstehen. Das geht kaum besser als in den Haufenwolken (Kumuluswolken) wie sie am Äquator vorkommen.

Erstmalige Wolkenmessungen in Äquatornähe

Beim Start im Hafen von Montevideo in Uruguay hingen die Wolken zwar tief. Dennoch bestieg das CloudKite-Team bestehend aus MPIDS-Direktor Eberhard Bodenschatz, Marcel Schröder, Marcel Meyer, Oliver Schlenczek und Philipp Höhne das Forschungsschiff Maria S. Merian voller Erwartungen und Vorfreude. Um 9 Uhr Ortszeit ertönte das Schiffshorn – laut und tief: der Startschuss für die 3-wöchige Messkampagne.

Mit 20 Wissenschaftlern aus sieben unterschiedlichen Instituten war die Maria S. Merian voll besetzt.

Der CloudKite nimmt vom Schiff aus Messungen in tiefen Wolken vor. Bis zu zwei Kilometer hoch kann er dabei in die Luft steigen. Er besteht aus zwei Ballondrachen, einem oberen mit einem Volumen von ca. 34 m3 sowie aus dem Hauptballon mit einem Volumen von 250 m3. Schon zwei Tage vor dem Auslaufen haben sich die MPIDS-Forscher in Montevideo getroffen, um die beiden Ballone auf dem Schiff zu installieren. Beide wurden in den ersten drei Tagen auf dem Schiff erfolgreich mit Helium gefüllt.

Mit ihren Ballondrachen können die Forscher über einen längeren Zeitraum in verschiedenen Höhen Messungen durchführen. Dabei misst die Göttinger Vorrichtung die Dynamik und Turbulenz mit einer beispiellosen Genauigkeit.

Vollständiges Bild der Tröpfchendynamik in Haufenwolken

Um ein vollständiges Bild der Tröpfchendynamik in Haufenwolken zu erstellen, führten Eberhard Bodenschatz und sein Team in den folgenden Tagen fünf Messflüge durch. Für diese Messungen eigenen sich die Wolken rund um den Äquator bestens, da sie die geeigneten atmosphärischen Bedingungen bieten, betont Direktor Bodenschatz.

„Die Vorhersage von Wolkenbedeckung und Niederschlag ist immer noch eine große Herausforderung und man sieht beinahe täglich, dass die Computerwolken in der von den Wetterdiensten berechneten Wettervorhersage nicht so regnen wie die echten Wolken. Das liegt zum Teil daran, dass wir die physikalischen Vorgänge im Inneren der Wolken noch nicht gut genug verstanden haben.“

Aus ihren Experimenten im Labor und auch auf der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus auf der Zugspitze wissen die MPIDS-Forscher, dass turbulente Strömungen der Luft eine wichtige bisher wenig verstandene Rollen in der Wolkenentwicklung spielt.

Wie gleichmäßig sind Wolken?

Die zwei bildgebenden Instrumente, die Teil des CloudKite sind, helfen dabei zu verstehen, wann und wie schnell aus kleinsten Tropfen große Wolken werden. Meteorologe Schlenczek ergänzt: „Unser Holografie-Instrument in der Messgondel macht jede Sekunde 75 Bilder, anhand derer wir Position und Größe der Tropfen in einem Volumen Wolkenluft messen können, das etwa dem Durchmesser eines Daumens und der Länge eines Briefumschlags entspricht. Darüber hinaus haben wir noch eine Hochgeschwindigkeitskamera, mit der wir die Geschwindigkeit der Tropfen messen können.

Dazu wird das Wolkenvolumen mit einem Lichtfächer aus einem starken Laser beleuchtet. Aus der Verlagerung der Tropfen von einem Bild zum nächsten bekommen wir die Geschwindigkeit, da die Zeit zwischen den beiden Aufnahmen bekannt ist.“ Kennen die Forscher den meteorologischen Hintergrund nicht, hilft ihnen die Bewegung der Tropfen alleine nicht weiter. Um die gemessene Geschwindigkeitsverteilung der Tropfen mit der Luftströmung in der Wolke in Beziehung setzen zu können, benötigen sie zeitlich hoch aufgelöste Messungen der Windgeschwindigkeit sowie Daten von Luftdruck, Temperatur und Feuchtigkeit.

Außerdem messen sie die Windgeschwindigkeit auf räumlichen Skalen von wenigen Millimetern mit Hilfe eines sehr kompakten Anemometers, welches mit Hilfe eines Hitzdrahts einige zehntausend Messungen pro Sekunde schafft. Schließlich nutzten die Max-Planck-Forscher noch ein gutes Navigationssystem, damit sie berechnen können, welche Geschwindigkeiten tatsächlich dem Wind zuzuschreiben sind und welche aus den Bewegungen des Schiffs und des Ballons resultieren.

Regenereignisse besser vorhersagen können

„Unsere gerade abgeschlossene, erste Kampagne mit dem CloudKite war sehr vielversprechend. Wir hoffen, zukünftig besser vorhersagen zu können, wann es aus einer Wolke regnet und wann nicht. Dieses ist insbesondere für Starkregenereignisse, wie wir sie im Sommer öfters erleben, ausgesprochen wichtig“, betont Direktor Eberhard Bodenschatz abschließend. Er freut sich auf die zukünftige Kampagne EUREC4A (Elucidating the Role of Cloud-Circulation Coupling in Climate), die im Januar und Februar 2020 vor Barbados stattfindet. Gemeinsam mit drei weiteren Max-Planck-Instituten (für Meteorologie, für marine Mikrobiologie sowie für Chemie) und einem internationalen Forscherteam werden sie 6 Wochen lang im tropischen Nordatlantik die Meteorologie in einem 1 Quadratkilometer großen Gebiet untersuchen.

Dabei hat EUREC4A unter Leitung von Direktor Prof. Bjorn Stevens (MPI für Meterologie) das Ziel, das Verständnis über die Wechselwirkungen von Wolken, Konvektion und Zirkulation zu erweitern und so deren Einfluss auf die Klimasensitivität zu bestimmen. Ausgehend von dem seit 2010 betriebenen Wolkenobservatorium auf Barbados sind als Kernstück der geplanten Feldkampagne Messungen mittels des deutschen Forschungsflugzeugs HALO und des französischen Forschungsflugzeugs SAFIRE geplant. Zudem sind vier Schiffe an der Messkampagne beteiligt. Auf einem dieser Schiffe wird dann die Crew um Eberhard Bodenschatz mit ihrem CloudKite arbeiten.