Je nach Sonnenstand, Tageszeit und Eigenschaften wirken die dünnen hohen Zirruswolken in der Arktis überwiegend w?rmend. Bislang gibt es allerdings kaum direkte Zirren-Messungen in hohen Breiten und Klimamodelle berücksichtigen diese unzureichend. Im Juli 2021 fliegt das deutsche Forschungsflugzeug HALO unter anderem in Richtung Nordeuropa und Arktis. Ziel ist es, den Beitrag der Zirruswolken zur besonders starken Erw?rmung dieser Region besser zu verstehen. Zudem nimmt das 70-k?pfige Forschungsteam die Effekte des Luftverkehrs im stark beflogenen Mitteleuropa in den Blick. Die Forschenden untersuchen, zu welcher Tageszeit die Kondensstreifen-Zirren m?glichst wenig w?rmen und ob sie sich in bestimmten Wettersituationen vermeiden lassen. Dies k?nnte für eine zukünftige klimafreundliche Flugplanung von enormem Wert sein. Neben dem Leipziger Institut für Meteorologie (LIM) der Universit?t Leipzig und dem Leibniz-Institut für Troposph?renforschung (TROPOS) sind sieben weitere Atmosph?renforschungsinstitute und Universit?ten an der Mission CIRRUS-HL (CIRRUS in High Latitudes) beteiligt. Ausgangspunkt ist der Standort Oberpfaffenhofen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).
?Die kalten hohen Eiswolken werden durch anthropogene Schadstoffe und den Luftverkehr ver?ndert. Welche Rolle sie für die verst?rkte Erw?rmung der Arktis spielen, ist eine bislang ungekl?rte Frage“, sagt die wissenschaftliche Koordinatorin der Mission, Prof. Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosph?re und der Universit?t Mainz. ?Zudem ist die Reduzierung der Klimawirkung des Luftverkehrs ein sehr aktuelles Forschungsthema. Wegen ihrer relativ kurzen Lebensdauer ist die Verringerung und Vermeidung von Kondensstreifen-Zirren ein vielversprechender Ansatz, um den Luftverkehr klimafreundlich zu gestalten.“
Insgesamt sind rund 25 HALO-Flüge im Rahmen von CIRRUS-HL geplant. ?Die Flugrouten verlaufen in acht bis 14 Kilometer H?he unter anderem bis in die N?he von Spitzbergen und Gr?nland, aber auch über Zentraleuropa, Spanien, Skandinavien und Island“, sagt Andreas Minikin von der DLR-Einrichtung Flugexperimente, die für den Betrieb von HALO, einer Gulfstream G550, verantwortlich ist. Das Flugzeug tr?gt für die Mission eine umfangreiche Messinstrumentierung zur Fernerkundung von Wolken und Kondensstreifen. Das Leipziger Institut für Meteorologie tr?gt mit Instrumenten zur Vermessung des Energiebudgets ober- und unterhalb der Zirren bei. ?Gerade die Messungen unterhalb der Wolken, wenn die Instrumente die Transmissivit?t der Zirren vermessen, sind eine einmalige Chance der HALO Flüge. Solche Messdaten bekommt man einfach nicht von den üblichen Satelliten- und Bodenmessungen“, berichtet Dr. André Ehrlich, einer der sechs beteiligten Forschenden der Universit?t Leipzig. Beim Flug in die Wolken und Kondensstreifen werden zus?tzlich Eispartikel und Wassertropfen hochpr?zise durch Wolken-Instrumente an den Flügeln von HALO charakterisiert. Ebenso erfassen Instrumente atmosph?rische Spurengase und Aerosolpartikel. Die Forschungsflüge werden durch Satellitenbeobachtungen der Eiswolken und Simulationen mit Computermodellen erg?nzt.
Kondensstreifen-Zirren
Kondensstreifen und daraus resultierende Eiswolken tragen mehr zum Klimaantrieb durch den Luftverkehr bei als dessen Kohlendioxid-Emissionen seit Anbeginn der Luftfahrt. Flugzeugtriebwerke sto?en unter anderem Ru?partikel aus. Diese wirken als Kondensationskeime für kleine unterkühlte Wassertropfen, die sofort zu Eiskristallen gefrieren und als Kondensstreifen am Himmel sichtbar werden. Die Eiskristalle der Kondensstreifen k?nnen bei feucht-kalten Bedingungen in H?hen von etwa 8 bis 12 Kilometern mehrere Stunden bestehen.
In der aktuellen Mission messen die Forschenden, wieviel W?rmestrahlung der Erde von den Kondensstreifen- Zirren in der Atmosph?re gehalten wird und wieviel Sonnenstrahlung sie in den Weltraum zurück reflektieren. Daraus wollen sie genauer bestimmen, zu welcher Tageszeit die kühlende Wirkung durch Reflektion der Sonnenstrahlung am gr??ten ist. Zudem wollen sie genauer verstehen, bei welchen Wetterbedingungen Kondensstreifen besonders stark auftreten. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass nur eine geringe Anzahl von Flugrouten für etwa 80 Prozent des Klimaantriebs der Kondensstreifen verantwortlich ist. Ziel der HALO-Messungen ist es, die Vorhersage dieser Wettersituationen zu verbessern. Dies hilft zukünftig klimaschonende Flugrouten zu planen, die entweder die Kondensstreifen-Bildung umgehen oder diese nur zul?sst, wenn die kühlende Wirkung überwiegt.
Arktische Zirren
Angelehnt an den vom LIM koordinierten Sonderforschungsbereich TRR 172 ?Arktische Verst?rkung“, liegt der Fokus der Leipziger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf den Arktischen Zirren. Natürliche Eiswolken entfalten in den hohen Breiten der Arktis durch den flachen Sonnenstand vor allem eine w?rmende Wirkung. Die W?rmestrahlung von der Erdoberfl?che wird durch Eiswolken wie von einem w?rmenden Schal in der Atmosph?re zurückgehalten. Messungen von Eiswolken in gro?en H?hen in der wenig bewohnten Arktis sind eine Herausforderung. Daher gibt es so wenige experimentelle Daten in dieser Region. ?Wir sind gespannt, welche Anzahl, Gr??e und Formen an Eiskristallen wir in diesen Wolken messen werden“, erkl?rt Prof. Christiane Voigt vom DLR. ?Die Eigenschaften der Eiskristalle haben eine deutliche Auswirkung auf ihren Strahlungsantrieb.“ W?hrend der Mission detektieren die Forschenden einen ?Zoo“ an S?ulchen, Pl?ttchen und anderer komplexerer Eiskristallformen. Hier setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universit?t Leipzig ihre Forschungsarbeiten an. ?Wir werden unsere Messungen des Strahlungsantriebs mit den Simulationen von operationellen Wettervorhersagemodellen vergleichen und testen, wie gro? der Einfluss der Eiskristallform auf diese Modelle ist“, erkl?rt Johannes R?ttenbacher, Doktorand am LIM und derzeit in Oberpfaffenhofen zur Betreuung der Leipziger Messger?te.
Kleine Eiskristalle - gro?e Klimawirkung
Bereits im Rahmen der Vorg?ngermission ML-CIRRUS (Mid-Latitude CIRRUS) zeigte sich, dass die Eiskristalle natürlicher Zirruswolken im Mittel mehr als zehnmal so gro? sind wie die Eiskristalle in Kondensstreifen-Zirren (2-10 Mikrometer). Dabei ist die Anzahl der Eiskristalle in Kondensstreifen-Zirren deutlich h?her und damit auch ihre Klimawirkung gegenüber natürlichen Zirrus-Wolken mit demselben Eiswassergehalt. Nun erwarten die Forschenden auch bei den Partikelformen Unterschiede zwischen Kondensstreifen und natürlichen Zirren.
CIRRUS-HL: Gemeinsame Mission vieler Forschungsinstitute
Die Finanzierung von CIRRUS-HL erfolgt anteilig durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) innerhalb des Infrastruktur-Schwerpunktprogramms für HALO (SPP 1294) mit den Universit?ten Leipzig, Mainz und München (LMU), das Max-Planck-Institut für Chemie (MPI-C), das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie durch das Leibniz-Institut für Troposph?renforschung (TROPOS). Gezielte Wettervorhersagen werden von der Eidgen?ssischen Technische Hochschule (ETH) in Zürich entwickelt. Ergebnisse der aktuellen Mission CIRRUS-HL werden 2022 erwartet.
?ber HALO
Das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Aircraft) ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. Gef?rdert wird HALO durch Zuwendungen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der Helmholtz-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Leibniz-Gemeinschaft, des Freistaates Bayern, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Forschungszentrums Jülich und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).
