Klimaforschung Neu entwickeltes Spektrometer misst klimarelevante Spurengase in der Arktis

Präzise Messungen der Atmosphäre sind für Vorhersagen des Klimawandels und seiner Folgen unentbehrlich. Eine Helmholtz-Forschergruppe hat daher Anfang Dezember im nordschwedischen Kiruna eine Messkampagne gestartet, bei der erstmals ein von Ihnen neu entwickeltes Instrument in über 20 Kilometern Höhe klimarelevante Gase und atmosphärische Bewegungen beobachtet.

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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Jülich/Karlsruhe – Eine Forschergruppe der Helmholtz-Gemeinschaft aus Jülich und Karlsruhe hat am 6. Dezember 2011 im nordschwedischen Kiruna ein nach eigenen Angaben weltweit einzigartiges Experiment gestartet: Das von ihnen entwickelte neue Instrument Gloria fliegt zum ersten Mal an Bord des russischen Forschungsflugzeugs "Geophysica" in über 20 Kilometern Höhe und beobachtet von dort aus klimarelevante Gase und atmosphärische Bewegungen mit bisher unerreichter Genauigkeit. Diese Messungensollen in Zukunft wesentlich zu verbesserten Klimamodellen beitragen.

Gloria ist die Abkürzung für "Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere". Hinter dem komplizierten Namen verbirgt sich eine neuartige Infrarot-Kamera. Sie zerlegt die von den atmosphärischen Gasen ausgesandte Wärmestrahlung in ihre Spektralfarben. Dadurch können diese Gase und ihre großräumigen Bewegungen sehr genau abgebildet werden. Das Instrument wurde am Forschungszentrum Jülich und dem Karlsruher Institut für Technologie im Rahmen einer Ausbauinvestition der Helmholtz-Gemeinschaft gemeinsam entwickelt. Es ist weltweit das erste einer neuen Generation von Messinstrumenten, die in Zukunft auch auf Satelliten, zum Beispiel zur Wetterbeobachtung, eingesetzt werden sollen, heißt es in einer Pressemeldung.

Spurengase in 20 Kilometern Höhe empfindlich messen

Gloria registriert in zehn bis 20 Kilometern Höhe zahlreiche klimarelevante Spurengase, die hier durch atmosphärische Austauschprozesse vertikal und horizontal vermischt werden: beispielsweise Kohlendioxid, Methan, Ozon und Wasserdampf sowie viele Stickstoff- und Chlorverbindungen. Das neue Gerät wird diese Prozesse erstmals mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung messen. „So wird es für uns möglich, aktuelle Klimamodelle zu testen und zu verbessern“, freut sich der Jülicher Physiker Dr. Martin Kaufmann. „Zudem ist die von Gloria beobachtete Höhenregion für das Klima enorm wichtig: Hier strahlt die Atmosphäre am meisten Wärme in den Weltraum ab, und deshalb sind in diesem Bereich Treibhausgase und Wolken besonders belastend für den Energiehaushalt der Erde“, fügt er an.

Das neue Spektrometer arbeitet mit einer schwenkbaren und präzise stabilisierten Infrarot-Kamera. Sie bildet Luftschichten unterhalb und seitlich des Flugzeugs ab. Bei der späteren Datenanalyse werden diese Bilder in eine Vielzahl von Farben zerlegt. Durch ihren „spektralen Fingerabdruck“ lassen sich dann die verschiedenen Spurengase unterscheiden und ihre Konzentrationen sehr genau bestimmen.

Ein weiterer Schwerpunkt der Messungen mit dem neuen Instrument sind die sogenannten „Schwerewellen“ in der Atmosphäre. Dabei handelt es sich um starke Luftturbulenzen, die bei bestimmten Wetterlagen unter anderem an der Rückseite von Gebirgszügen entstehen. Sie können sich bis in 100 Kilometer Höhe ausbreiten. In der Luftfahrt sind diese Wellen gefürchtet, sie spielen aber auch für das Klima eine wichtige Rolle. Schwerewellen treiben in der mittleren und oberen Atmosphäre globale Zirkulationssysteme an. „Offensichtlich ändert sich die Dynamik dieser Wellen mit dem Anstieg des Kohlendioxids in der Erdatmosphäre“, unterstreicht Dr. Peter Preusse aus Jülich, „für zukünftige Klimaprognosen ist es daher sehr wichtig, diese Effekte genau zu verstehen.“

Neuer Detektor-Chip und „Tomographischen Flug“ ermöglichen hohe räumliche Auflösung

Felix Friedl-Vallon, Physiker am Karlsruher Institut für Technologie, ist begeistert: „Bislang unerreicht ist die extrem hohe räumliche Auflösung unseres neuen Spektrometers. Die horizontale Auflösung beträgt bei Gloria 30 Kilometer, und in der vertikalen Richtung 200 Meter. Damit ist das System um eine ganze Größenordnung besser als bisherige Instrumente.“ Möglich wird dies vor allem durch einen neuartigen Detektor-Chip, der über 10.000 Messungen auf einmal ausführen kann, sowie ein spezielles Manöver, welches die Forscher „Tomographischen Flug“ nennen. Hierbei umfliegt die „Geophysica“ auf einer kreisförmigen Bahn in 15 bis 20 Kilometer Höhe ein Luftpaket oder eine turbulente Zone. Gloria behält dabei immer genau die gleichen Koordinaten im Fokus

Nach erfolgreichem Ersteinsatz auf der „Geophysica“ wird das Spektrometer ab Sommer 2012 an Bord des neuen deutschen Forschungsflugzeugs „HALO“ installiert. Und ab 2020, so die Hoffnung der Wissenschaftler, liefert eine weltraumtaugliche Version des Gerätes wichtige Klimadaten, und zwar als Bestandteil der Premier-Mission an Bord eines ESA-Satelliten. Altersbedingt stellen in den kommenden Jahren mehrere europäische und amerikanische Umweltsatelliten ihre Arbeit ein. „Gloria schließt eine Lücke, die hier für die Atmosphärenforschung entsteht“, betont Hermann Oelhaf, Meteorologe am Karlsruher Institut für Technologie.

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