Neue Erkenntnisse bei der Untersuchung kleinster Wolkentropfen

14. Dezember 2021

Seit 2014 untersuchen Wissenschaftler*innen 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‘ – ein Gerät, ausgestattet mit neuester Technologie, dass die Tropfen dreidimensional aufnimmt. Die Ergebnisse der ersten Messungen wurden nun in der Zeitschrift ‚Review of Scientific Instruments‘ veröffentlicht und versprechen einen großen Schritt zur Verbesserung der Niederschlagsprognose.

‚Seesaw‘ – auf Deutsch Schaukel – heißt das Gerät, mit dem es möglich ist die Prozesse in den Wolken zu messen. Das Kernstück sind der Anlage ist eine Box, ausgestattet mit drei high-speed Kameras. Diese kann sich mit der in der Wolke herrschenden Windgeschwindigkeit bewegen und so den Weg einzelner Wolkentropfen verfolgen und aufzeichnen. „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 verbessert werden.

Ein innovativer und komplexer Versuchsaufbau

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

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. 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. Die Forschungsstation eignet sich aufgrund ihrer Lage auf 2650 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.

Erste Ergebnisse nach intensiver Vorbereitung

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. „Wir freuen uns, dass nach so intensiven Vorbereitungen das System funktioniert und die ersten Messungen durchgeführt wurden“, freut sich Jan Moláček, leitender Wissenschaftler in dem Projekt. Und Prof. Eberhard Bodenschatz ergänzt: „Ich freue mich, dass sich diese Investition gelohnt hat und sich im Zuge der nächsten Messungen auf lange Zeit wissenschaftlich bezahlt machen wird.“

Die ersten Messergebnisse und der Versuchsaufbau wurden nun in der Zeitschrift ‚Review of Scientific Instruments‘ (https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0065806) veröffentlicht und versprechen einen großen Schritt in der Erforschung des Verhaltens der Wolkentropfen und somit zur Verbesserung der Wettervorhersage.

Zur Redakteursansicht