Was HALO erforschen soll

HALO wartet auf den Start
HALO wartet auf den Start
© DLR

Strahlung, chemische Prozesse und die Bewegung von Luftmassen in der Atmosphäre gestalten Wetter und Klima auf der Erde. Was genau passiert und wie verschiedene Vorgänge zusammenhängen, soll HALO in zahlreichen Missionen herausfinden. Damit will man die Erdsystemforschung voranbringen und den Klimawandel besser verstehen.

Die Federführung der verschiedenen Missionen liegt bei zahlreichen Universitäten und außeruniversitären Forschungseinrichtungen, die untereinander und mit Forschungspartnern im Ausland kooperieren.

von Verena Kauzleben

Partikel fangen das Sonnenlicht ab

Energiehaushalt und Wasserkreislauf der Erde ändern sich je nachdem, was weit oben in der Atmosphäre umherschwirrt. Dort befinden sich fein verteilte, und oft nur mikroskopisch kleine Partikel: Aerosole. Sie können das Sonnenlicht, oder zumindest einen Teil davon, abschirmen. Bei uns auf der Erde wird es dann kühler und dunkler.

Außerdem fungieren sie als Keime, um die sich Wassertröpfchen oder Eisteilchen bilden: Wolken. Durch ihre Farbe verändern die Partikelchen auch deren Strahlungseigenschaften. Etwa, indem sie weiße Schneekristalle  „verdrecken“ und damit mehr Licht absorbieren lassen.

Mit den Eigenschaften der Wolken ändert sich auch unser Wetter und Klima. Kurzfristig, weil es mehr oder weniger regnet, und langfristig, weil der globale Energiehaushalt stark von ihnen abhängt.

Mit HALO wollen die Forschenden besser verstehen, wie Aerosole in der Atmosphäre wirken. Dazu messen sie die Substanzen in verschiedenen Regionen. Unter den Einsatzorten sind relativ saubere maritime Regionen, wolkenreiche Gebiete wie über dem Regenwald und verschmutzte Luftmassen über Industriegebieten oder Waldbränden. Diese extremen Unterschiede eignen sich besonders gut für Vergleiche.

Bei Aerosolen handelt es sich meist um Festkörperteilchen wie aufgewirbelten Staub, Abgase oder Rauchpartikel. Sie beeinflussen Wetter und Klima auf der Erde durch Wolkenbildung und durch Abfangen von Strahlung. So wurde 1991 beim Ausbruch des Mount Pinatubo so viel Asche bis weit in die Stratosphäre geschleudert, dass sich die Temperatur global um rund 0,5 Grad Celsius abkühlte.

Die Tropopausenregion in circa 15 km Höhe verhindert, dass Wärme von der Erde unsere Atmosphäre verlässt und ins Weltall entweicht. Sie dient als Stoppschicht. Auf der Erde wäre es sonst so eisig kalt, dass an Leben nicht zu denken wäre.

Wetter und Klima unterscheiden sich in ihren zeitlichen Dimensionen: Während sich Wetter in Tagen bis Wochen abspielt, entwickelt sich Klima über Jahre und Jahrhunderte hinweg. Für unser Wetter ist neben der Sonnenstrahlung vor allem der Wasserdampf in der Troposphäre entscheidend. Deswegen nennt man diese Schicht auch Wettersphäre. Das Klima hingegen prägt die Stratosphäre weiter oben.

Rätselhafte Wolken

Blick aus dem Cockpit
Blick aus dem Cockpit
© DLR

Cirren sind Wolken, die wie zarte Fäden, mit ausgefransten Rändern und einem seidigen Schimmer aussehen. Sie erstrecken sich meist über große Teile des Himmels und können warmes Wetter ankündigen. Gemacht sind sie aber aus Eis und befinden sich in großen Höhen. Für unser Klima spielen sie eine große Rolle.

Der Mensch bringt mit Flugzeugen Kondensstreifen und darin zusätzliche Aerosole in die Stratosphäre. Das verändert den natürlichen Wandel der Wolken. Wie sich das auf unser Klima und Wetter auswirkt, ist erst wenig erforscht. Denn bisher konnten Messgeräte die Stratosphäre kaum erschließen und so lagen die Gebilde außerhalb der Reichweite der Wissenschaft. Das ändert sich nun mit HALO. Das Flugzeug erreicht die nötige Höhe, so dass die Forschenden dem Phänomen auf die Spur kommen können.

Wolken bestehen aus Wassertröpfchen oder Eisteilchen. Ihre Größe und Verteilung bestimmen das Aussehen der Wolken. Um die verschiedenen Typen von Wolken zu unterscheiden, hat die Weltorganisation für Meteorologie zehn charakteristische Erscheinungsbilder definiert. Mit diesen kann man alle dieser flüchtigen Gebilde auf der ganzen Welt kategorisieren.

Unsere Erde umgibt eine gasförmige Hülle, die Atmosphäre. Von innen nach außen unterscheidet man je nach Temperatur folgende Schichten: Troposphäre von Meereshöhe bis 7 -17 Kilometer Höhe, Stratosphäre bis circa 50 Kilometer Höhe,  Mesosphäre bis zur Menopause in circa 80 Kilometer Höhe und schließlich die Thermosphäre. Letztere geht in den Weltraum über. Zwischen Troposphäre und Stratosphäre befindet sich die Tropopause als Grenzregion.

Kondensstreifen entstehen, wenn sich heiße Flugzeugabgase mit kalter Umgebungsluft mischen. Dabei entstehen Eiskristalle. Sie enthalten hauptsächlich Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickoxide und Ruß. Dabei dienen die Rußpartikel als Kondensationskerne für den Wasserdampf - wie es auch bei der Wolkenbildung (siehe oben) passiert.

Chemie in der Luft: Radikale reinigen

Wenn sich bestimmte Schadstoffe in der Stratosphäre anhäufen, greifen sie die schützende Ozonschicht an. Bremsen können das Hydroxyl-Radikale. Sie reagieren mit den gefährlichen Gasen zu Verbindungen, die das Ozon nicht mehr angreifen. Wenn sie aber verbraucht sind, vergreifen sich die Schadstoffe wieder an der Ozonschicht. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen herausfinden, wie viele Schadstoffe die Radikale abfangen können. Dazu vermessen sie die Luft über den Kontinenten Europa, Nordamerika und Asien. Die setzen nämlich die meisten giftigen Stoffe frei, die dann auch die Stoppschicht der Tropopause überwinden. Der Clou dabei ist, dass HALO viele der relevanten Spurengase, einschließlich der Radikale, gleichzeitig messen kann.

Wichtig ist es, die Chemie der Lüfte besser zu verstehen, um Atmosphärenmodelle zu überprüfen, die dann wiederum belastbare Klimaprognosen erlauben.

Dazu gehören unter anderen Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Fluorkohlenwasserstoffe. Sie absorbieren Strahlung von der Erde, die sonst ins Weltall entweichen würde. Zur Erde zurück senden sie dann Wärmestrahlung, die zur globalen Erwärmung beiträgt. Sie können sowohl natürlichen als auch menschlichen Ursprungs sein.

Elektronen treten normalerweise paarweise auf. Bei Radikalen ist das anders: ein einsames Elektron ist vorhanden, das nach einem Partner sucht. Es ist daher besonders angriffslustig auf andere Moleküle. Hydroxylradikale enthalten Sauerstoff und Wasserstoff und entstehen bei ultravioletter Strahlung aus Ozon und Wasser in der Atmosphäre.

Ozon entsteht aus Sauerstoff unter Einwirkung ultravioletter Sonnenstrahlung. So wird diese krebserregende Strahlung auf dem Weg zur Erde abgefangen. Die Ozonschicht befindet sich in der Stratosphäre. Halogenverbindungen wie Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW) greifen sie an.

Spurengase sind unter anderen Kohlendioxid und -monoxid, Wasserstoff, Stickoxide und Halogenverbindungen.

Wärme bringt Regen

Die Erdoberfläche wird an vielen Stellen wärmer, so dass dort mehr Wasser verdunstet. Grund ist wohl der menschgemachte Klimawandel. Damit nimmt auch der Niederschlag zu und es kommt zu extremen Wetterereignissen wie Hurrikans. 

Durch die höhere Temperatur steigen die Luftmassen in diesen Regionen höher, bis zu den höchsten Schichten der Troposphäre. Das nennt man Konvektion. Abwärtsbewegungen in anderen Bereichen der Erde kompensieren diese Bewegungen. Dort werden die Luftmassen folglich trockener. Insgesamt ändert sich das Temperaturprofil auf der Erde also fortlaufend.

Ausgerüstet mit den entsprechenden wissenschaftlichen Instrumenten erlaubt HALO einen Blick in die Wetterküche.

Thermische Konvektion beschreibt die Bewegung von Temperatur mit Luftmassen. In unserer Atmosphäre wird so Wärme transportiert. Die Prozesse sind gewaltig und verursachen Wetterphänomene wie Wind und Unwetter.

Als Unwetter oder extreme Wetterphänomene bezeichnet man Ereignisse, die im jeweiligen Gebiet stark von der Norm abweichen. Dazu zählen in der Regel starke Gewitter, Stürme, Orkane, Dauerregen, Schneeverwehungen, Glatteis, starker Schneefall und Tauwetter.

Zusatzinformationen

HALO - Technische Daten

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HALO ist 31 Meter lang und hat eine Spannweite von fast 30 Metern.
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