Klimaforschung per Linienflug

MOZAIC-Messgeräte

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Auf rund 2.500 Flügen pro Jahr reisen die MOZAIC-Messgeräte mit fünf europäischen Linienmaschinen rund um die Welt.

"Durch die Zusammenarbeit von Fluggesellschaften, Luftfahrtindustrie und Wissenschaft ist es gelungen, kostengünstig eine einzigartige Messdaten-Sammlung für die Atmosphärenforschung zu erhalten", sagt Herman Smit, einer von zwei MOZAIC-Projektleitern im Forschungszentrum Jülich. Das Kürzel MOZAIC steht für: "Measurement of Ozone and Water Vapour by Airbus In-Service Aircraft". Rund 150.000 Stunden sind Wasserdampf- und Ozonmessgeräte in Langstreckenfliegern gratis mitgereist und haben dabei die Außenluft analysiert - zum Beispiel zwischen Frankfurt und Chicago, Paris und Bangkok, Brüssel und Johannesburg (Bild 1).

Während des Aufstiegs und des Landeanflugs registrieren die Sensoren, wie sich über den Städten die Zusammensetzung der Atmosphäre mit der Höhe verändert. Die meisten Messungen erfolgen jedoch in einer Höhe zwischen neun und zwölf Kilometern. Die so erkundete Luftschicht beeinflusst das Klima auf der Erde stark und kann mithilfe von Satelliten nur begrenzt untersucht werden. MOZAIC schließt hier eine wichtige Lücke: Die Spürnasen in den Linienmaschinen liefern Daten in so großer Zahl, wie sie durch Sondierungen mithilfe von Ballons oder speziellen Messflugzeugen nie zu erhalten wären. Wissenschaftler aus aller Welt greifen auf die MOZAIC-Messungen zu - zum Beispiel, um ihre am Computer entwickelten Atmosphärenmodelle mit der Realität zu vergleichen.

Unterkühlter Wasserdampf

Eine wichtige Erkenntnis aus den MOZAIC-Messungen ist, dass die Luftfeuchte örtlich und zeitlich sehr stark schwankt. "Außerdem ist klar geworden, dass die Luft in neun bis zwölf Kilometern Höhe - also in der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre - viel feuchter ist, als bisher angenommen wurde", sagt Smit. Im Flugkorridor über dem Atlantik entdeckten die MOZAIC-Sonden bei etwa 30 Prozent ihrer Messungen - unerwartet häufig - unterkühlten Wasserdampf. In ihm ist das Wasser gasförmig, obwohl sich aufgrund niedriger Temperatur Tröpfchen oder Eiskristalle bilden müssten, denn es fehlen Kondensationskeime wie etwa Staubteilchen oder geladene Gasmoleküle. Manche Modelle der Atmosphärenforscher müssen nun korrigiert werden: Wolken bilden sich in einigen Regionen der Erde oft erst bei einem Feuchtigkeitsgehalt in der Luft, der größer ist, als es herkömmliche Vorstellungen vermuten lassen.

Ozongehalt/ Wasserdampfgehalt

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In den Sommermonaten erreicht der Ozongehalt in der oberen Troposphäre sein Maximum. Erhöhter Wasserdampfgehalt im Sommer kommt durch vermehrte Verdunstung am Boden zustande.

Für die Vorhersage der Klimaentwicklung auf der Erde ist es enorm wichtig, die Rolle des Wasserdampfs und der Wolkenbildung genau zu kennen. Die Berechnungen der Klimaforscher weichen heute vor allem deshalb voneinander ab, weil nicht klar ist, wie sehr der Wasserdampf die globale Temperaturerhöhung verstärkt, den die Computermodelle als Folge des steigenden Kohlendioxid-Gehalts in der Atmosphäre prognostizieren.

Einmal im Monat werden die Wasserdampf-Sensoren aus den Flugzeugen entfernt und ins Forschungszentrum Jülich geschickt. Dort haben die Wissenschaftler eine Kammer, in der die Messfühler unter realistischen Bedingungen kontrolliert und neu kalibriert werden. "Ohne diese qualitätssichernde Maßnahme würde ein Datenfriedhof entstehen", ist Smit überzeugt.

Das Sommerhoch des Ozons

Die MOZAIC-Ozonmessungen zeigten, dass sich der Gehalt des Ozons in der oberen Troposphäre über dem Nord-Atlantik mit den Jahreszeiten verändert: Im Sommer ist er stets am höchsten, fällt dann bis zum Winter auf rund die Hälfte des Sommer-Wertes ab, um dann wieder zu steigen. Deswegen nehmen die Wissenschaftler an, dass das Spurengas photochemisch - also unter Einwirkung von Licht - entsteht (Bild 2). "Unsere Analyse der Daten hat ergeben, dass das Sommermaximum wahrscheinlich nur zu einem geringen Teil durch Ozonbildung vor Ort ensteht", sagt Dr. Andreas Volz-Thomas, der zweite MOZAIC-Projektleiter am Forschungszentrum Jülich. Womöglich gelangt Ozon, das in unteren Luftschichten produziert wird, durch Konvektion - vertikale Luftbewegungen - in die obere Troposphäre und trägt dort wesentlich zu den erhöhten Werten bei.

Ozon (blaue Linie) und Stickoxide (rot)

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Ozon (blaue Linie) und Stickoxide (rot) korrelieren miteinander in der Stratosphäre. Ursache ist der gemeinsame photochemische Ursprung. Zusätzliche Stickoxide durch Blitze, Auto- und Flugverkehr sind für die Abweichung in der Troposphäre verantwortlich.

Ozonmessungen alleine reichen allerdings nicht aus, um die Vermutungen der Jülicher Atmosphärenforscher zu bestätigen oder zu widerlegen. Seit Anfang 2001 verstärken deshalb Kohlenmonoxid-Sonden die MOZAIC-Ausrüstung.

Kohlenmonoxid wird hauptsächlich von Autos ausgestoßen - erhöhte Werte des Gases in der oberen Troposphäre wären ein Indiz dafür, dass die untersuchte Luft aus bodennahen Schichten der Atmosphäre stammt. Ebenfalls seit Anfang 2001 hat ein kompaktes High-Tech-Messgerät für Stickoxide, das von Jülicher Forschern um Volz-Thomas speziell für dieses Vorhaben entwickelt wurde, seinen Dienst auf einem Airbus A340 der Lufthansa angetreten. Stickoxide werden natürlicherweise aus Böden abgegeben, sind beispielsweise in den Abgasen von Autos und Flugzeugen enthalten, entstehen bei Blitzen oder - in der höheren Stratosphäre - photochemisch. In relativ komplizierter Weise greifen sie in die Ozonbilanz der Atmosphäre ein.

Volz-Thomas hofft, dank der Stickoxid- und Kohlenmonoxid-Daten die Herkunft des troposphärischen Ozons klären zu können: "Wir wollen die Frage beantworten, wie sich die Austauschprozesse mit der Stratosphäre und mit den untersten Luftschichten der Atmosphäre auf das Ozon-Budget der oberen Troposphäre auswirken", sagt der Jülicher Atmosphärenchemiker (Bild 3). Erst danach könne man die brennende Frage der Fluggesellschaften nach dem Einfluss des Flugbetriebes auf den Ozonhaushalt und damit auf das Klima mit genügender Sicherheit beantworten.