Die Wolken von oben betrachtet

Ein neues Messgerät, das an der Raumstation ISS montiert wird, erfasst in drei Dimensionen die Partikel in der Atmosphäre und liefert für Klima- und Wettermodelle wertvolle Daten.

Sicht auf die Wolken – aufgenommen von der Raumfähre Columbia anlässlich der 95. Spaceshuttle-Mission. Foto: Nasa

Sicht auf die Wolken – aufgenommen von der Raumfähre Columbia anlässlich der 95. Spaceshuttle-Mission. Foto: Nasa

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Wolken sind der sichtbarste Teil des Wetters, das Wissen um ihr Entstehen und ihre Wirkungen ist aber noch unvollständig. Ein neues Messgerät, das am Wochenende von einem Dragon-Raumtransporter zur Raumstation ISS gebracht wurde, wird Daten liefern, die bisher gefehlt haben. Das Instrument der US-Raumfahrtbehörde Nasa hat die Kurzbezeichnung Cats für Cloud-Aerosol Transport System.

Es erfasst die sogenannten Aerosole, kleine bis winzige Teilchen, die in der Luft schweben. Diese Partikel spielen eine zentrale Rolle bei der Wolkenbildung, an ihnen lagern sich die Wasserteilchen an, aus denen Wolkentropfen und in manchen Fällen Regentropfen werden. Aerosole, die in verschiedenen Höhen Schichten bilden, können aber auch das Wetter und letztlich das Klima direkt beeinflussen, indem sie Sonnenstrahlen streuen oder aufnehmen.

Aerosole, ein Gemisch von Partikeln und Luft, sind für das Auge oft durchsichtig. Das Cats-Instrument arbeitet deshalb in Wellenbereichen ausserhalb des sichtbaren Lichts. Verwendet wird die Lidar-Technik, vergleichbar mit Radar, aber auf anderen Wellenlängen. Lidar sendet Signale aus, die von den Partikeln in der Luft reflektiert werden. Ein empfindlicher Empfänger registriert das Echo, ein Rechner stellt fest, wie weit das Partikel entfernt ist.

Auf 30 Meter genau

Lidar wird seit einigen Jahren bereits für die Erforschung der Wolken eingesetzt, unter anderem im Forschungsflugzeug ER-2, das Höhen von 20 Kilometern erreicht. Auch auf Satelliten sind schon Lidar-Geräte installiert worden. Was Cats den bisherigen Messstationen voraus hat, ist der Platz an der Aussenseite der Internationalen Raumstation ISS. Mit der Raumstation umkreist Cats auf einer Umlaufbahn, die über die Pole führt, die Erde Tag und Nacht auf etwa 400 Kilometern Höhe.

Im Gegensatz zu Wettersatelliten, die aus grosser Distanz einen fixen Blickwinkel haben, kann die ISS den grössten Teil der Erde erfassen. Alle drei Tage kommt die ISS über der gleichen Region vorbei und misst auf 30 Meter genau. Ausserdem arbeitet das Cats-System zu allen Tageszeiten, was Vergleiche der Zustände zwischen Tag und Nacht erlaubt, wie sie bisher nicht machbar waren. Dank der Kommunikationsanlagen der ISS ist ein ständiger Datenfluss vom Messgerät zu den Bodenstationen sichergestellt.

Die Spur des Schmutzes

Erstmals wird es dank dem reichlichen Datenfluss von Cats möglich sein, dreidimensionale Darstellungen des Atmosphärenzustandes zu errechnen. Die Forscher erwarten genaue Angaben über die Verteilung der Aerosole und der Wolken auch in der Vertikalen in verschiedenen Schichten.

Die Instrumente können nicht nur die Aerosolschichten und Wolken orten, sondern auch über ihren Charakter Auskunft geben. Es lässt sich unterscheiden, ob die Partikel von den Sandstürmen in den grossen Wüsten stammen, von Waldbränden, Vulkanausbrüchen oder ob es Folgen der Luftverschmutzung durch die Zivilisation sind.

Eine exaktere Beobachtung der Luftschichten kann genutzt werden, um Wald- und Buschbrände zu entdecken oder die genaue Ausdehnung einer Aschenwolke nach einem Vulkanausbruch festzustellen. Partikel, die aus dem Meerwasser stammen, enthalten Salz, solche, die bei Waldbränden entstanden sind, Kohlenstoff, Wüstenstaub besteht aus mineralischem Material.

Bewegung der Aerosole

Interessant für die Forscher sind die Bewegungen der Aerosole in der Atmosphäre. Die Teilchen werden vom Wind über weite Strecken verfrachtet, manchmal um die ganze Welt. Die Beobachtung von der ISS aus wird eine zeitliche Verfolgung der Wege in drei Dimensionen erlauben.

Die entdeckten Verbreitungsregeln sollen in die Wetter- und Klimamodelle einfliessen. Die Effekte der menschgemachten Luftverschmutzung können dann genauer nachgewiesen werden, etwa die Wolkenbildung durch die Kondensstreifen der Flugzeuge.

Das Cats-Instrument wartet jetzt auf der Raumstation ISS auf die Montage. Sein Platz wird ein japanischer Geräteträger ausserhalb der Station sein, wo es für die nächsten paar Jahre verbleiben soll. Auf längere Sicht sieht die Nasa dann vor, die Technik auf Satelliten zu verwenden. Die ISS dient in diesem Fall als Experimentierfeld.

Bodenkunde aus dem All

Noch diesen Monat will die Nasa ein weiteres wissenschaftliches Projekt zur Erd­erkundung starten. Nicht via ISS, sondern mit einem speziellen Satelliten soll der Wassergehalt der oberen Erdschichten gemessen werden. Genutzt werden sollen die Daten für Wetter- und Klimamodelle, für Landwirtschaft und Risikoanalysen, aber auch für die Prognose von Hungersnöten und Seuchenzügen.

Das Erdreich erfüllt im Wasserkreislauf die Funktion eines puffernden Schwamms. Der Boden speichert Wasser, kann aber auch gesättigt sein, was zu Überschwemmungen oder Erdrutschen führt. Für die Erforschung von Überschwemmungs- und auch von Trockenheitsphänomenen werden gute Daten über die Bodenfeuchtigkeit benötigt. Der Wassergehalt des Bodens beeinflusst auch das Wetter und die Entwicklung der Vegetation und damit den Kohlenstoff-Kreislauf.

Die Bodenfeuchtemessung aus 685 Kilometern Höhe wird mit zwei ­Instrumenten vorgenommen, einem Strahlungssensor und einem Radar. Der Radar wird kurze Funkimpulse aussenden, welche die Wolken und auch bis zu einem gewissen Grad die Pflanzendecke durchdringen und in die obersten Bodenschichten gelangen. Aus dem Echo lässt sich die Menge des Wassers ermitteln und auch, ob es sich um flüssiges Wasser oder um Eis handelt.

Damit schnelle Ergebnisse erreicht werden, kommt eine Antenne zum Einsatz, die vom Satelliten aus wie ein Lasso in eine Kreisbewegung versetzt wird. Sie kreist mit 14 Runden pro Minute und überstreicht am Boden einen 1000 Kilometer breiten Streifen.

Erstellt: 12.01.2015, 19:11 Uhr

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Grosse Herausforderung für Klimaforscher

Wolken können wärmen oder kühlen. Die Klimamodelle zeigen unterschiedlichen Effekt auf das künftige Klima.

Von Martin Läubli

Wolken bringen Beobachter zum Staunen. Es ist ihre Formenvielfalt und Dynamik, es sind die flachen Stratuswolken, die «Schäfchen» oder wuchtigen Gewitternimben. Sie verfliegen im Nu oder sind hartnäckig lang am Himmel.

Was faszinierend ist, stellt Klimaforscher vor eine grosse Herausforderung. Wolken beeinflussen aktuelle Wetterprozesse stark, weil sie den Strahlungs- und damit den Wärmehaushalt auf der Erde verändern. Meteorologen können heute relativ zuverlässig dank Messnetzen und Computermodellen die Folgen aufziehender Wolken voraussagen.

Doch wenn es um die Zukunft geht in einem wärmeren Klima, da sind die Unsicherheiten noch gross: Wolken beeinflussen das Klimasystem auf verschiedenen Ebenen: Sie sind für Regen und Schnee verantwortlich, sie erwärmen die Atmosphäre, wenn Wasserdampf kondensiert, sie reflektieren oder absorbieren Sonnenlicht und Wärmestrahlen. Wolken können schnell in die Höhe steigen und dabei Energie, Feuchtigkeit, Gase und Partikel von der Erdoberfläche nach oben verlagern.

Diese Prozesse ändern täglich, saisonal und jährlich und verändern den Wärmehaushalt in der Atmosphäre. Noch stossen Klimamodelle an ihre Grenzen, um die Wirkung der Wolken zuverlässig darzustellen. Verschiedene Klimamodelle produzieren verschiedene Zukunftsprojektionen, heisst es im neuen Klimabericht des Weltklimarats IPCC, an dem Hunderte Forscher während Jahren gearbeitet haben.

Erwärmung wahrscheinlicher

Die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass hohe Wolken wie zum Beispiel in den Tropen die globale Erwärmung verstärken, weil sie Wärmestrahlung absorbieren. Die Klimaforscher gehen davon aus, dass die Bildung hoher Wolken in einem wärmeren Klima zunimmt. Unsicher ist jedoch, welchen Effekt tief liegende Bewölkung zum Beispiel in den mittleren Breiten hat. Sie reflektiert viel Sonnenlicht zurück in den Weltraum. Das wirkt sich kühlend auf das Klima aus.

Forscher des International Institute for Applied Systems Analysis in Wien und der Universität Helsinki wiederum haben herausgefunden, dass Pflanzen Gase (Aerosole) verdunsten, die wiederum Keime für die Wolkenbildung sein können. An Partikeln und Wassertropfen in den Wolken wird Sonnenlicht reflektiert. Je wärmer es wird, desto mehr natürliche Aerosole bilden sich. Wie stark hier der Abkühlungs­effekt ist, können die Forscher nicht sagen. Auch die hochenergetische Teilchenstrahlung der Sonne, die kosmische Strahlung, kann die Wolkenbildung beeinflussen. Der IPCC sieht aber keinen grossen Effekt auf das Klimasystem.

So erwarten die Forscher unter dem Strich langfristig eher eine zusätzliche Erwärmung. Kurzfristig ist es allerdings durchaus möglich, dass der Ausstoss von Aerosolen durch den Menschen die Entwicklung der globalen Temperatur der letzten Jahre beeinflusst hat. «Es ist nicht ausgeschlossen, dass Aerosole ­teilweise für die Stagnation der globalen Temperatur verantwortlich sind, aber sie allein reichen als Erklärung nicht aus», schreibt die ETH-Klimaforscherin Ulrike Lohmann im Klimablog der ETH Zürich.

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