Meteorologie trifft Metrologie: Klimaforschung in den Wolken
Flugfähiges Feuchte-Messgerät der PTB verbindet praktische Klimaforschung mit höchster Genauigkeit
HAI steht für Hygrometer for Atmospheric Investigations. Sein jüngster Einsatz (im Rahmen der ACRIDICON-CHUVA-Mission) führte HAI auf eine groß angelegte Expedition, an der rund 60 deutsche, israelische und brasilianische Wissenschaftler beteiligt waren. An Bord von HALO, einem der modernsten Messflugzeuge für die Atmosphärenforschung − betrieben vom Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum – flog HAI immer wieder in die aufsteigenden Wolken über dem Amazonas-Regenwald hinein, um Proben zu nehmen. Die Forscher wollten unter anderem verstehen, welchen Einfluss die Luftverschmutzung über großen Städten oder Brandrodungsgebieten auf die Wolkenbildung hat.
Wasser ist das wichtigste Treibhausgas und spielt auf vielerlei Art eine Rolle bei der Klimaentwicklung. In erster Linie beschatten und kühlen Wolken die Erdoberfläche, gleichzeitig wirken sie wie eine Isolationsschicht, die die terrestrische Wärmestrahlung nicht in den Weltraum entweichen lässt. Der gesamte globale Wasserkreislauf beruht auf sich erwärmender und wieder abkühlender Luftfeuchtigkeit. Darüber hinaus dienen Feuchtewerte als Korrekturfaktor bei vielen anderen atmosphärischen Messungen. Dass Wasser das einflussreichste Treibhausgas ist, steht fest. Doch seine Wirkung in Zahlen zu fassen, die dann in Modelle zur Klimaentwicklung einfließen können, ist sehr schwierig. Je nach Höhe der Wolken und je nach Zusammensetzung – sie können aus Dampf, Tropfen und Eis in wechselnden Mengenverhältnissen bestehen– kann ihre Wirkung sehr unterschiedlich ausfallen. Auch die Messung der verschiedenen Wasser-Phasen ist heikel, denn bereits die Probennahme kann den Aggregatzustand entscheidend verändern, wenn beispielsweise Wasserdampf durch Abkühlung bei der Probennahme bereits auf dem Weg zum Messgerät zu Tropfen kondensiert.
Wissenschaftler der PTB haben dieses Problem mit dem Multiphasen-Wassersensor HAI gelöst. Er ermittelt simultan, wie viel Wasserdampf und wie viel Wasser kondensiert in der Luft vorhanden ist: Eine robuste, offene, aerodynamische Messzelle außerhalb des Flugzeugrumpfes misst direkt den gasförmigen Wasserdampfgehalt der durchströmenden Luft. Eine weitere Zweikanal-Messeinheit befindet sich innerhalb des Flugzeuges am Ende einer beheizten Probennahmeleitung. Dort ermitteln zwei unabhängig voneinander arbeitende Sensoren den Gesamtwassergehalt der Probe. Die Differenz aus Gesamtwasser- und Gasphasenmessung erlaubt, zeitgleich den Gehalt an kondensiertem Wasser zu bestimmen.
HAI arbeitet auf Grundlage einer speziellen Variante von TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy), die selbstkalibrierend ist. Damit fallen die bisher üblichen, zeitaufwendigen Kalibrierungen während der Messkampagnen weg, die im Feld nur sehr schwierig mit zufriedenstellender Genauigkeit und in der notwendigen Häufigkeit durchgeführt werden können. Zudem ist auf HALO mit HAI erstmals ein flugfähiges schnelles Hygrometer im Einsatz, das direkt auf die metrologische Feuchteskala rückgeführt ist. Es liefert, im Gegensatz zu den meisten anderen Feuchtemessgeräten und gemäß strenger metrologischer Anforderungen, Ergebnisse mit kleiner, klar definierter Messungenauigkeit. if/ptb
Ansprechpartner
Dr. Volker Ebert,
PTB-Fachbereich 3.2 Gasanalytik und Zustandsverhalten,
Telefon: (0531) 592-3200,
volker.ebert(at)ptb.de
Dr. Bernhard Buchholz,
PTB-Arbeitsgruppe 3.22 Metrologische Molekülspektrometrie,
Telefon: (0531) 592-3113,
bernhard.buchholz(at)ptb.de
Originalveröffentlichungen
- V. Ebert, M. Kraemer, A. Afchine B. Buchholz: HAI: A novel airborne multi-channel hygrometer for fast multi-phase H2O quantification: Performance of the HAI instrument during the first flights on the German HALO aircraft. American Geosciences Union Fall meeting, 15-19 December 2014, Moscone Center, San Francisco, CA, USA, Session In Situ and Spaceborne Observations of Atmospheric Water Vapor and Temperature II, paper A54C-06, https://agu.confex.com/agu/fm14/meetingapp.cgi#Paper/19528
- B. Buchholz , A. Afchine , M. Krämer, V. Ebert: Fast, multi-phase H2O measurements on board of HALO: Results from the novel HAI instrument during the first field campaigns. Geophysical Research Abstracts Vol. 16, EGU2014-9241, 2014, EGU General Assembly 2014