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Untersuchung kleinster Wolkentropfen Der Wolken-TÜV vom Alpenhang

Von Manuel Maidorn*

Jeder will wissen wie das Wetter wird. Um die Vorhersage von Niederschlag zu verbessern, arbeiten Forscher auf der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS) in über 2.500 m Höhe an einem technisch anspruchsvollen Projekt: Sie testen ein modernes Kamerasystem, das in Windrichtung beschleunigt werden kann, um hochauflösende Aufnahmen der Wassertröpfchen in den Wolken zu machen.

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Die Umweltforschungsstation Schneefernerhaus liegt in 2650 m Höhe am Hang der Alpen
Die Umweltforschungsstation Schneefernerhaus liegt in 2650 m Höhe am Hang der Alpen
(nightowl)

Göttingen – Seit 2014 untersuchen Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) in Göttingen das Verhalten kleinster Wolkentropfen auf dem Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS). Ziel ist es, damit die Vorhersage von Niederschlag deutlich zu verbessern. Zum Einsatz kommt dafür „Seesaw“ – auf Deutsch Schaukel: ein Gerät, mit dem es möglich ist, die Prozesse in den Wolken zu messen.

Das Kernstück der Anlage ist eine Box, ausgestattet mit drei Highspeed-Kameras. Die Kamerabox kann sich mit bis zu 7,5 m/s (27 km/h) bewegen und so die in der Wolke herrschende Windgeschwindigkeit kompensieren, um den Weg einzelner Wolkentropfen besser zu verfolgen und aufzuzeichnen. „Das Besondere an unserem Aufbau und unserer Messmethode ist, dass wir nicht nur die momentane Position der Tröpfchen in 3D mit 25.000 Bilden pro Sekunde messen, sondern auch deren absolute Größe genau bestimmen können“, erklärt Prof. Eberhard Bodenschatz, Leiter der Studie und Direktor am MPIDS. Gemeinsam mit Computerberechnungen und Laborversuchen lässt sich anschließend das Verhalten der Tropfen in Wolken vorhersagen und somit die Wettervorhersage maßgeblich verbessern.

Tropfen-Filme in den Bergen

Wolkentropfen können so klein sein, dass sie für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Erst nachdem sich aus vielen kleinen Wolkentropfen ein großer Tropfen gebildet hat, fällt dieser als Niederschlag auf die Erde. Diesen Prozess des Zusammenschmelzens nennt man Kollision. Er ist hochkomplex und von vielen verschiedenen Faktoren abhängig, weshalb Laborversuche für das Verständnis der Prozesse nicht immer ausreichend sind. Um die Dynamik der Tropfen genau zu verstehen, ist es daher unabdingbar für die Wissenschaft, direkt in den Wolken ihre Untersuchungen durchzuführen.

Das Messgerät 'Seesaw' zur Analyse der Tröpfen in den Wolken.
Das Messgerät 'Seesaw' zur Analyse der Tröpfen in den Wolken.
(MPIDS)

Für diese Untersuchungen werden üblicherweise Instrumente verwendet, die auf Flugzeugen oder Hubschraubern angebracht sind. Das Problem dabei: Durch ihre Eigenbewegung ermöglichen es diese Geräte nicht, jeden einzelnen Tropfen mit der richtigen Geschwindigkeit zu verfolgen. Um dieses Problem zu umgehen, entwickelte das Team vom MPIDS schließlich die Seesaw und installierte sie auf dem Turm der UFS am Hang der Zugspitze bei Garmisch-Partenkirchen. Die Forschungsstation eignet sich aufgrund ihrer Lage auf 2.650 m Höhe besonders gut für solche Untersuchungen, da sie als höchste Forschungsstation Deutschlands häufig von Wolken umhüllt ist. Darüber hinaus herrscht dort meist eine gleichbleibende Windrichtung. Dadurch wird auch die Anpassung der Kamerageschwindigkeit an die Windbewegung vereinfacht.

Die Datensammlung hat begonnen

Nach der Erstinstallation der Seesaw musste das Instrument über mehrere Jahre getestet und eingestellt werden, bevor die ersten Messungen durchgeführt werden konnten. Die harschen klimatischen Bedingungen in der Höhe und die Verarbeitung der großen Datenmengen erforderten viel Zeit und Verbesserungen von den Wissenschaftlern; ab 2017 konnten schließlich erste Messungen der Tropfen durchgeführt werden. Mit den gewonnenen Daten arbeiten die Forscher daran, die Vorhersagemodelle für Niederschlag zu verbessern.

Originalpublikation: G. Bertens, G. Bagheri, H. Xu, E. Bodenschatz and J. Moláček: In situ cloud particle tracking experiment, Review of Scientific Instruments 92, 125105 (2021); DOI: 10.1063/5.0065806

* M. Maidorn, Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

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