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Erde+Klima

Arktische Klimaforschung mit dem Fesselballon

Fesselballon
Messungen mit dem Fesselballon an der Küste vor Ny-Ålesund auf Spitzbergen. (Bild: Sebastian Zeppenfeld/ TROPOS)

Die unteren Luftschichten spielen beim Klimawandel in der Arktis eine entscheidende Rolle. Um die Lücke zwischen Bodenmessungen und Flugzeugdaten zu schließen, führen Wissenschaftler zurzeit auf Spitzbergen Messungen mit einem Fesselballon durch. Er sammelt Daten in bis zu einem Kilometer Höhe, die die bestehenden Klimamodelle verbessern und präzisieren sollen. Zudem liefern diese Messungen wertvolle Informationen über die Wechselwirkungen des arktischen Ozeans mit der Atmosphäre.

Die Arktis ist ein Hotspot des Klimawandels: Fast nirgendwo macht sich die globale Erwärmung so stark bemerkbar wie jenseits des Polarkreises. Die Mitteltemperaturen haben sich um mehrere Grad stärker erhöht als im globalen Durchschnitt, gleichzeitig verändert der Rückgang des arktischen Meereises die lokalen und regionalen Wetterbedingungen. Bisher können Klimamodelle jedoch nur in Teilen nachvollziehen, welche Mechanismen diese überproportional starke Erwärmung der Arktis antreiben.

Von der Polarstern nach Spitzbergen

Wertvolle Daten zu den Klimaprozessen in der zentralen Arktis hat schon im letzten Jahr die MOSAiC-Expedition gesammelt. Ein Jahr lang driftete dafür der deutsche Forschungseisbrecher Polarstern mitsamt seiner auf der benachbarten Eisscholle angelegten Messstation mit der Transpolardrift durch das arktische Meer. Dadurch konnten die Forschenden erstmals auch Daten zu Atmosphäre, Eis und Ozean mitten im Polarwinter gewinnen. Schon während dieser Drift kam auch ein heliumgefüllter Fesselballon des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) und der Universität Leipzig zum Einsatz. Der zwölf Meter lange und 90 Kubikmeter große Ballon sammelte in 33 Aufstiegen Daten zur Luftschicht über der schmelzenden Eisscholle.

Jetzt kommt dieses Ballon-System auch an der Polarforschungsstation AWIPEV in Ny-Ålesund auf Spitzbergen zum Einsatz. Der erste Teil der Messkampagne untersucht noch bis Mitte November 2021 die Bedingungen im arktischen Herbst beim Übergang zur Polarnacht. Der zweite Teil wird Mitte März bis Mitte Mai 2022 den Übergang in die Schmelzperiode im arktischen Frühjahr unter die Lupe nehmen. Dadurch können die Wissenschaftler die Interaktionen von Meer, Atmosphäre und Eis beim Wechsel der Jahreszeiten genauer untersuchen. Der an einem langen Seil einholbare Ballon hat Messgeräte an Bord, die Turbulenz, Strahlung, Wolken und Aerosole messen sowie Partikel und Wolkenwasserproben nehmen können.

Entscheidende Luftschichten

Das Spannende daran: Der Heliumballon ermöglichte Messungen in einer Höhe bis zu 1000 Metern. Diese unteren Luftschichten sind zwar für die Klimaprozesse besonders wichtig, aber nur schwer vom Boden oder von Flugzeugen aus zu erfassen. „Die bewölkte arktische Grenzschicht ist durch eine komplexe vertikale Schichtung gekennzeichnet, die sich häufig von der Oberfläche abkoppelt. Wolken beeinflussen den Austausch der Wärme zwischen Boden und höheren Luftschichten stark und verursachen erhebliche Effekte auf die Energiebilanz“, erklärt Holger Siebert vom TROPOS, der die Ballon-Kampagne leitet. Aktuelle Modelle können diese komplexen Prozesse durch die Wolken oft nicht realistisch genug beschreiben.

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Um noch präzisere Daten sammeln zu können, wird der zweite Teil der Ballonmessungen auf Spitzbergen parallel zur Flugzeugkampagne HALO-(AC)³ durchgeführt. Dabei werden erstmals die deutschen Forschungsflugzeuge HALO, Polar 5 und Polar 6 in der Arktis zusammen mit dem Ballon fliegen und die Atmosphäre parallel in unterschiedlichen Höhen untersuchen. Sie sollen dabei den Warmlufttransport in die Arktis und dessen Auswirkungen im Detail beobachten. „Mit den Flugzeugen können wir einfach nicht beliebig tief und beliebig langsam fliegen und schon gar nicht im engen Fjord vor Ny-Ålesund. Diesen in der Arktis überaus wichtigen Höhenbereich für sämtliche Austauschprozesse zwischen Boden und der arktischen Atmosphäre müssen unsere Ballonmessungen abdecken“, erklärt André Ehrlich von der Universität Leipzig.

Die kombinierte Messkampagne bietet aber nicht nur für die Untersuchung der Wolken und deren Energiebilanz Chancen auf neue Einblicke, auch die Atmosphärenchemie erhofft sich neue Erkenntnisse zu den Rückkopplungen zwischen biologischer Aktivität und Klima: „Uns interessieren die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre – besonders in den Polarregionen, die vom Klimawandel stark betroffen sind“, erklärt Sebastian Zeppenfeld vom TROPOS. Bei früheren Messkampagnen hatten er und seine Kollegen erste Hinweise darauf gefunden, dass es in der Luft Bakterien gibt, die aufgewirbelte Substanzen aus dem Meer fressen. „Dem wollen wir jetzt auf Spitzbergen stärker auf den Grund gehen, indem wir die Zucker in Aerosolen, Wolkenwasser und Oberflächenfilm messen und auch die Bakterien kultivieren werden“, sagt Zeppenfeld.

Quelle: Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. V.

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