Wetterforschung Windmaschine fürs Wolkenlabor
Mainz · Wie verhalten sich Regentropfen in einer Wolke? Physiker der Universität Mainz können es erklären – und damit die Wettervorhersage verbessern.
(dpa) Was in Wolken im Großen passiert, stellen Mainzer Physiker in ihrem Labor im Kleinen nach. Sie erforschen in einem senkrechten Windkanal das Verhalten von Tropfen und Hagelkörnern in Wolken. Dazu gibt Miklós Szakáll gerade durch ein Röhrchen einen Wassertropfen in das rechteckige gläserne Rohr. Mit einem Handrad reguliert der Physiker die Geschwindigkeit der von unten nach oben strömenden Luft so genau, dass der Tropfen frei schwebt. Im vertikalen Windkanal des Instituts für Physik der Atmosphäre der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz – einer in dieser Form weltweit einzigartigen Apparatur – wird erforscht, was physikalisch und chemisch in Wolken passiert. Tropfen, Schneeflocken und Hagelkörner können die Mainzer in einer eigenen Kühlkammer herstellen. Interessant sind diese Erkenntnisse für Niederschlagsvorhersagen, zum Beispiel für die Landwirtschaft und die Windkraftbranche.
Luftströmung und -feuchte können im Windkanal fein justiert, die Temperatur zwischen minus und plus 30 Grad variiert werden. Es sei etwa möglich, die natürliche Fallgeschwindigkeit eines Tropfens in einer Wolke zu simulieren, wie Professor Stephan Borrmann erklärt. Er ist stellvertretender Leiter des Instituts für Physik der Atmosphäre und auch für das Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz tätig.
Auch Axel Seifert vom Deutschen Wetterdienst (DWD) in Offenbach weiß die Erkenntnisse der Mainzer zu schätzen. „Solche Labordaten zu haben, ist immens wichtig“, sagt der Referatsleiter „Physikalische Prozesse“ beim DWD. Während andere Wolkenphysik-Labore vor allem extrem kleine Partikel untersuchten, habe der Mainzer Windkanal mit der Erforschung des Verhaltens von Tropfen oder Hagelkörnern ein Alleinstellungsmerkmal, sagt Seifert. Um in den kommenden Jahren Modelle zur Wettervorhersage weiter zu verbessern, brauche es solche Daten, zum Beispiel zur Fallgeschwindigkeit von Tropfen, ihrer Geometrie oder zum Tempo, in dem Schneeflocken schmelzen.
Wie komplex das Verhalten von Tropfen ist, erklärt Borrmann mit einem bekannten Effekt auf einer Windschutzscheibe eines Autos. Dort bleibe Wasser oft selbst bei Temperaturen knapp unter null Grad noch flüssig. Tropfen seien in Wolken ständig in Bewegung, nähmen Stoffe aus der Luft auf, reagierten mit ihnen. All das beeinflusse, ob das Wasser in der Wolke bleibe oder als Niederschlag zu Boden falle. Ob ein Tropfen dort ankommt oder auf dem Weg nach unten verdunstet, entscheiden Borrmann zufolge viele Vorgänge in der Atmosphäre.
Diese Prozesse entschieden auch darüber, ob sich Wolken auflösten und wie viel Sonnenstrahlung die Erde erreiche. Da sei man mitten in der Klimaforschung, sagt Borrmann. Und da spiele es dann auch eine Rolle, wie Tropfen Luftschadstoffe an sich binden und in Wolken bis in die Stratosphäre transportieren können, von wo sie rund um den Globus verteilt werden.
Der Mainzer Windkanal, der sich auf dem Uni-Campus über zwei Etagen erstreckt, ist im Jahr 1986 entstanden. Mit der Anlage habe damals eigentlich das Phänomen des sauren Regens untersucht werden sollen, sagt Borrmann. Das spiele hierzulande mittlerweile keine große Rolle mehr. Doch Indien oder China hätten mittlerweile in viel größerem Ausmaß damit zu kämpfen. „Das Thema ist nicht verschwunden.“ In der Wissenschaft spiele dagegen jetzt die Erforschung sogenannter gemischtphasiger Wolken eine große Rolle; das sind Wolken, die teils aus flüssigen Tropfen bestehen, aber auch Eisteilchen enthalten. „Das ist das heißeste Thema in der Atmosphärenforschung, das war vor Jahren so nicht absehbar“, sagt Borrmann.
Ein Clou der Mainzer Windmaschine ist, dass dort die Strömung quasi ohne Verzögerung verändert werden kann. Nur so können die Tropfen überhaupt in der Schwebe und fern der Glaswand des Kanals gehalten werden. Möglich macht das eine Düse in der Zuleitung, durch die die angesaugte Luft fast mit Schallgeschwindigkeit strömt. Erforscht worden seien im Windkanal in den vergangenen Jahren auch Beschichtungen für Rotorblätter, die vor Eisbildung schützen sollen. „Das zeigt, wie Grundlagenforschung ganz praktisch eingesetzt werden kann“, sagt Borrmann.
Ein anderes Beispiel sei die Forschung zu Entstehung und Wachstum von Hagelkörnern. Welche fatalen Folgen das Gefrieren feinster Wassertröpfchen haben könne, habe der Absturz eines Air-France-Flugzeuges 2009 auf dem Flug von Rio de Janeiro nach Paris gezeigt. Die Maschine war damals in eine Gewitterzone über dem Atlantik geraten. 228 Menschen starben. Damals waren wichtige Sensoren der Maschine eingefroren, der Bordcomputer zeigte falsche Messwerte, die Piloten reagierten falsch. Mit mehr Wissen über das Verhalten von Tropfen lasse sich das Design von Flugzeug-Sensoren verbessern, erklärt Borrmann.
