Fliegen und Forschen für das Klima

Avanciert zum leistungsstärksten Forschungsflugzeug Europas

27. August 2019 Ein Bericht aus der "forschung" 2/2018

Ein Flieger im Dienste der Atmosphären-, Klima- und Geoforschung: Getragen von einem internationalen Konsortium, ist HALO binnen Kurzem zum leistungsstärksten Forschungsflugzeug in Europa avanciert. Seine ebenso moderne wie variable Apparatur ermöglicht aufwendige Messkampagnen, sei es zu Aerosolpartikeln oder Luftschadstoffen.

Ein Bericht von J. Schmidt, M. Wendisch, J. Curtius, M. Scheinert und B.-M. Sinnhuber

HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) fliegt seit 2010 im Dienst der Atmosphären-, Klima- und Geoforschung. Der einhornartige weiß-rote Nasenmast ermöglicht unter anderem, Windgeschwindigkeit und Luftdruck zu messen. Das Forschungsflu

Die Idee, Luftfahrzeuge für die Forschung zu nutzen, ist nahezu so alt wie die Luftfahrt selbst. Bereits 1783, also ein Jahr nach dem ersten bemannten Ballonflug mit der berühmten Montgolfière, stattete der US-amerikanische Arzt und Luftfahrtpionier John Jeffries einen Ballon mit Messinstrumenten wie Thermometer, Barometer, Elektrometer und Hygrometer aus. Auf seinen Flügen erreichte Jeffries dabei beeindruckende Höhen von bis zu 2800 Metern. Doch es „ging mehr“: Der Physiker Victor Franz Hess (1883 –1964) etwa stieg mit seinen Ballonflügen in Höhen bis zu 5300 Metern. Mit seinen Messgeräten gelang es ihm dabei, die kosmische Strahlung zu entdecken, wofürer 1936 den Nobelpreis erhielt.

Heute steht Wissenschaftlern nicht nur eine erheblich breitere Palette von Messinstrumenten zu Verfügung, sondern auch ein deutlich vergrößerter „Fuhrpark“ von Luftfahrzeugen. Je nach Forschungsaufgabe und interessierenden Fragen kommen Ballons, Zeppeline, Hubschrauber, Drohnen und natürlich Flugzeuge zum Einsatz. Die modernste in Deutschland zur Verfügung stehende Plattform ist derzeit das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft). Aufgrund seiner Nutzlast von 3 Tonnen, der Reichweite von bis zu 10 000 Kilometern und der maximal erreichbaren Flughöhe von 15 Kilometern ist HALO besonders dafür geeignet, atmosphärische und geophysikalische Fragen zu untersuchen.

Zweijähriger Umbau zum Forschungsflugzeug

Ohne Übertreibung kann man sagen, dass sich HALO zum derzeit leistungsstärksten und modernsten Forschungsflugzeug Europas entwickelt hat. HALO war zunächst ein Business-Jet vom Typ Gulfstream G 550. Zur Vorbereitung auf wissenschaftliche Einsätze musste ein langer Weg zurückgelegt werden. 2006 landete HALO zum ersten Mal auf seinem Heimatflughafen in Oberpfaffenhofen bei München. Dann begann eine fast zweijährige Umbauphase. Techniker integrierten mehrere Aufnahmepunkte für Außenlasten am Flugzeugrumpf und den Flügeln, was eine Verstärkung der Flugzeugstruktur erforderte. Darüber hinaus wurden über 20 Öffnungen in den Rumpf eingebracht – eine besondere Herausforderung, denn die Kabine von HALO musste druckdicht gegenüber der Außenluft bleiben. Anschließend war viel Papierarbeit notwendig, damit der Flieger samt Einbauten vom Luftfahrt-Bundesamt zugelassen werden konnte. 2010 war HALO einsatzbereit für eine erste Testmesskampagne.

Zunächst konnten auf mehreren Flügen über Deutschland HALO sowie einige wissenschaftliche Instrumente erfolgreich erprobt werden. Damit war der Weg frei für die Aufnahme des regulären wissenschaftlichen Betriebs. Seit 2012 ist HALO regelmäßig im Einsatz. Die inzwischen 15 abgeschlossenen wissenschaftlichen Messkampagnen lieferten wertvolle Daten für die Atmosphären-, Klima- und Geowissenschaften. Dabei war HALO bisher über dem Amazonasgebiet, dem nördlichen und tropischen Atlantik, der arabischen Halbinsel ebenso unterwegs wie in Südostasien, Nord-, Mittel- und Südeuropa sowie der Arktis. HALO realisierte erste Messungen während der Kampagne GEOHALO (Geophysical Investigation of the Mediterranean using HALO). Auf vier Forschungsflügen mit Startpunkt Oberpfaffenhofen wurden Variationen des Gravitations- und Magnetfelds der Erde über Italien und dem angrenzenden Mittelmeer vermessen. Die Region ist von einem erhöhten Risiko für Erdbeben betroffen, eine zusätzliche Motivation für die Geoforschung.

Ein wesentlicher Aspekt der 2015/16 mit HALO durchgeführten Kampagne POLSTRACC (Polar Stratosphere in a Changing Climate) war die Untersuchung des Höhenbereichs von 10 –15 Kilometern über der Arktis. Die kurzlebigen Treibhausgase wie Ozon oder Wasserdampf und deren Verteilung ist dort besonders bedeutungsvoll für den atmosphärischen Strahlungshaushalt der Erde und damit für das globale Klima. Ein überraschendes Ergebnis der POLSTRACC-Messflüge: Auch in diesem Höhenbereich gibt es in der Arktis einen starken Ozonabbau durch menschengemachte Chlorverbindungen; bis zu 50 Prozent des arktischen Ozons waren im Laufe des Winters abgebaut worden. Zwar hat man auch schon in früheren Wintern Ozonabbau in der Arktis oberhalb von 15 Kilometern beobachten können, doch das Ausmaß dieses starken Ozonabbaus in dem besonders klimawirksamen Höhenbereich überraschte.

Die aktuellen Klimamodelle berücksichtigen diese Einflussgrößen nur unvollständig. Hier werden die detaillierten Messungen von HALO während der POLSTRACC-Kampagne helfen, die zugrunde liegenden Prozesse in den Modellen besser zu beschreiben.

Der Artikel ist unter dem Titel "Über den Wolken" im Magazin "forschung" (2/2018) erschienen. Interner LinkZum Magazin 

Für Kampagnen kann HALO ganz unterschiedliche Messgeräte nutzen. Beispielsweise können mithilfe von Fernerkundungsmessgeräten Wolken, Aerosolpartikel und auch Spurengase in einer Entfernung  von einigen Metern bis zu vielen Kilometern vom Flugzeug untersucht werden. Für die beiden NARVAL-Kampagnen (Next Generation Remote Sensing for Validation Studies) 2013/14 und 2016 über der Karibik konnten so Lasermessgeräte, Radarsysteme und weitere Instrumente kombiniert werden. Mit dieser Ausstattung gelang es, Messungen von Satelliten zu validieren, die mit vergleichbaren, aber einfacheren Instrumenten arbeiten. Bei anderen Messkampagnen kommen häufig auch sogenannte In-situ-Messgeräte zum Einsatz. Hierbei nehmen die entsprechenden Messgeräte kleine Mengen der durchflogenen Umgebungsluft auf und vermessen Wolkentröpfchen, Eiskristalle, Aerosolpartikel und Spurengase mit hoher Präzision.

Einsatz zur Emissionsmessung in europäischen Ballungszentren

Im Sommer 2017 war HALO für die an der Universität Bremen koordinierte Kampagne EMeRGe (Effect of Megacities on the Transport and Transformation of Pollutants on the Regional and Global Scale) im Einsatz. Dabei hat HALO Emissionen von Luftschadstoffen aus europäischen Ballungsräumen untersucht, wie zum Beispiel London, der Benelux-Region oder dem Ruhrgebiet. Um die entsprechenden Luftmassen aufzuspüren, ist HALO teilweise nur 500 Meter über dem Boden geflogen – für das „Höhenforschungsflugzeug“ sehr ungewöhnlich. Doch auch hier konnte HALO seine Stärken zur Geltung bringen. Da die Emissionen der Ballungsräume einen regelrechten Cocktail verschiedenster chemischen Substanzen darstellen, waren viele Messinstrumenten erforderlich, um diese Mischung präzise erfassen zu können. Dabei wurde die maximale Zuladung von HALO vollständig ausgeschöpft.

Neben der Erfassung der Luftschadstoffe und deren Transport untersuchte EMeRGe  Schwerpunktmäßig die chemischen Umwandlungsprozesse dieser Emissionen. Unter dem Einfluss von Sonnenlicht finden chemische Reaktionen zwischen Luftschadstoffen statt. Dadurch entstehen neue Stoffverbindungen, deren Effekte auf die menschliche Gesundheit und das globale Klima sich deutlich von denen der ursprünglich emittierten Substanzen unterscheiden. Die Umwandlungsprozesse aufzuklären bedeutet, nicht nur lokale Effekte, sondern auch regionale und globale Auswirkungen zu erfassen. Dabei ist die große Reichweite von HALO ein besonderer Vorteil.

Diese Beispiele von HALO-Kampagnen und deren Ziele verdeutlichen, dass das Potenzial von HALO nur durch die Kooperation von Forschungseinrichtungen voll erschlossen werden kann. Ein einzelnes Institut könnte weder HALO vollständig instrumentieren noch die vielfältigen Flugszenarien, die HALO ermöglicht, ausschöpfen. Der DFG-Beitrag erfolgt dabei in Koordination mit dem Schwerpunktprogramm 1294 „Atmosphären- und Erdsystemforschung mit dem Forschungsflugzeug HALO“.

Das Schwerpunktprogramm ist ein wesentliches Element für die in den letzten Jahren vertiefte Zusammenarbeit in der deutschen Atmosphären-, Klima- und Geoforschung, sodass koordinierte Aktivitäten in neuer Weise unterstützt werden.

Die beeindruckenden Erfolge der HALO-Kampagnen – bisher sind über 200 begutachtete Beiträge in  Fachzeitschriften erschienen – halten das Interesse an weiteren Forschungseinsätzen wach. Bereits jetzt ist der Forschungsflieger bis Mitte 2022 durchgehend mit wissenschaftlichen Messkampagnen ausgebucht. Unter anderem werden im Rahmen der Kampagne CIRRUS-HL (Cirrus in High Latitudes) die klimawirksamen Zirruswolken in Nordeuropa und der Arktis untersucht. Die Kampagne COMET (Carbon Dioxide and Methane Mission for HALO) wird die Emissionen der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan genauer erfassen.

Und im Projekt HALO-(AC)3, das im Zusammenhang mit dem SFB/TRR 172 „Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3“ steht, sollen die drastischen Klimaänderungen in der Arktis untersucht werden. HALO findet durch seine  Arbeit Resonanz und Anerkennung in verschiedenen Disziplinen und Forschungsbereichen und ist als Plattform für die Atmosphären-, Klima- und Geowissenschaft unverzichtbar geworden.

Die DFG und HALO

HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) wird als Forschungsplattform für die Atmosphären- und Erdsystemforschung von einem Konsortium betrieben, dem neben der DFG die Max-Planck-Gesellschaft, das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt, das Forschungszentrum Jülich, das Karlsruher Institut für Technologie, das Deutsche GeoForschungsZentrum sowie das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung angehören. Die DFG fördert seit 2007 das Infrastruktur-Schwerpunktprogramm „Atmosphären- und Erdsystemforschung mit dem Forschungsflugzeug HALO“. Dieses wird an den Universitäten Leipzig, Frankfurt/Main und Dresden (TU) koordiniert.

Das SPP 1294 befindet sich in der dritten dreijährigen Förderperiode (2016 –2018). HALO-gestützte Forschung soll in interdisziplinärer Zusammenarbeit helfen, durch integrierte und systemorientierte Ansätze klima- und umweltwissenschaftliche Fragen zu beantworten, die im Spannungsfeld von Prozessen im System Erde und menschlichem Handeln auf dem Globus stehen. Dabei geht es auch darum, hochtechnologische Sensorik und neue Instrumente zu entwickeln und für den Einsatz in den Atmosphären- und Geowissenschaften zu nutzen.