Die Vermessung des Himmels - Untersuchung des Zusammenspiels von Wolken und Zirkulation per Flugzeug

Die Feldstudie NARVAL II, initiiert und geleitet von den Wolkenforschern der Abteilung "Atmosphäre im Erdsystem" (Prof. Bjorn Stevens) am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) und Kollegen der Universität Hamburg, soll helfen, diese Fragen zu beantworten. Die NARVAL II-Mission startete am 8. August 2016 mit einem Transferflug des Forschungsflugzeugs HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) von Oberpfaffenhofen nach Barbados.

NARVAL II ist die zweite von drei geplanten Missionen, die das Wissen, das über zehn Jahre mithilfe von bodengestützten Messungen im tropischen Atlantik gesammelt wurde, erweitern werden. Sie baut auf den Erkenntnissen der vorangegangenen Mission NARVAL I auf und wird den Weg für eine noch größere internationale Kampagne im französisch-deutschen Projekt EUREC⁴A bereiten, die für Februar 2020 geplant ist. Drei Jahre nach der ersten Kampagne NARVAL I (Next generation Aircraft Remote-sensing for Validation studies), fokussiert sich die zweite Kampagne noch mehr auf das bessere Verständnis der Kopplung von Wolken, Zirkulation und Klima über dem tropischen und subtropischen Ozean.

NARVAL II wird die Hypothese überprüfen, dass flache, durch Sonnenstrahlung angetriebene Zirkulationen die Neigung der Konvektion verstärken sich zusammenzuballen ("Selbstaggregation"). Diese konvektive Zusammenballung ist ein bisher noch recht unbekannter Prozess, durch den sich vereinzelte Konvektionen zu Superstürmen zusammenformen und der für das Verständnis einer Vielzahl tropischer Phänomene als wichtig angesehen wird, von Wirbelstürmen bis zur Madden-Julian-Oszillation. NARVAL II wird diese Annahmen überprüfen, indem gemessen wird, wie Wasserdampf und Wolken zum Ausmaß niedriger Strahlungskühlung in der Nähe von Konvektion beitragen und bis zu welchem Grad dies mit einer flachen Zirkulation in Zusammenhang steht, die Feuchtigkeit in konvektive Systeme transportiert. Diese Messungen werden durch den intensiven Einsatz von sogenannten Dropsonden über einem großen Gebiet ermöglicht. Mit ihnen können der Massen-, Wärme- und Feuchtigkeitshaushalt gemessen werden.

Die Dropsonden gleiten an Fallschirmen aus dem Flugzeug zur Erdoberfläche und messen auf ihrem Weg durch die Atmosphäre Profile von Druck, Temperatur und Feuchtigkeit. Durch die von ihnen gesammelten Daten können die Forscher neue Messstrategien testen. Diese Strategien werden dann genutzt, um den Versuchsaufbau der Kampagne EUREC⁴A noch weiter zu verbessern. Bei ihr werden verschiedene Plattformen (Schiffe und Flugzeuge) zur Verfügung stehen, um gleichzeitig Wolken und das weitläufige Umfeld, in dem sie sich bilden, zu messen.

Zudem wird NARVAL II dabei helfen, die Größenordnungen von Eis und Flüssigwasserkondensaten in tropischen Wolken zu bestimmen, die Rolle der Eisphase im Lebenszyklus von Cumulus-Wolken zu untersuchen und Datenabfragen, die für zukünftige Satellitensysteme vorgeschlagen wurden, zu testen.

Die NARVAL-EUREC⁴A Flugzeugmissionen bauen auf langfristige, bodengestützte Messungen des Barbados Wolkenobservatoriums (BCO) auf. Das Observatorium ist eine Kooperation des MPI-M und des Caribbean Institute of Hydrology and Meteorology und ist die einzige Einrichtung dieser Art in den Tropen. Seit 2010 nutzt es fortschrittliche Fernerkundung, um die tropische Atmosphäre und ihre Wolken zu untersuchen. Es steht im Zentrum weltweiter Bemühungen das Geheimnis zu lüften, wie niedrige Konvektion auf Erwärmung reagiert (siehe Stevens et al., 2016).

An Bord von HALO befindet sich HAMP (HALO Microwave Package), ein Instrumentenpaket, das die bodengestützten Messungen des BCO widerspiegelt. Es besteht aus einem Mikrowellen-Wolken-Radar, einem Wasserdampfabsorptionsradar und einer Reihe von Radiometern. Alle Instrumente können das Wasser in der Atmosphäre in all seinen Phasenzuständen messen. Zusätzlich zum HAMP werden Spektralradiometer zur Untersuchung der mikrophysikalischen Struktur von Wolken genutzt werden und Dropsonden ermöglichen Messungen des atmosphärischen Zustands, auch von Winden, in den unteren Teilen der Atmosphäre. Messungen mit HAMP und des Barbados Wolkenobservatoriums werden von großer Bedeutung für die Auswertung von EarthCARE (Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer) sein, einem neuen Satelliten der Explorer-Klasse, der 2019 von der Europäischen Weltraumagentur (ESA) und der Japanischen Weltraumagentur (JAXA) gestartet werden soll.

Stützpunkt für die Flüge während NARVAL II ist der Grantley Adams International Airport auf Barbados. Die Transferflüge von HALO von und nach Oberpfaffenhofen führen die Validierungsflüge von NARVAL I fort, untersuchen bei ausreichend Zeit die großskaligen Strukturen der Passatregion und unterfliegen Satellitenbahnen für Vergleichsmessungen. Das Hauptuntersuchungsgebiet ist die Umgebung nahe des Barbados Wolkenobservatoriums sowie Bereiche mit sich entwickelnden konvektiven Wolkenclustern, die auf der Basis von Satellitenbildern und Analysen des European Centre for Medium-Range Weather Forecast (ECMWF) bestimmt werden. Insgesamt sind acht neunstündige Flüge geplant.