Im Polarwinter mit dem Flugzeug durch die Stratosphäre

Am eisigen Nordpolarkreis wollen Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen mit weiteren deutschen Forschungseinrichtungen die komplexen Prozesse des Klimawandels und deren Auswirkungen auf die polare Atmosphäre zu erkunden.

Mit dem Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and LOng Range Research Aircraft) sollen in drei Messkampagnen Veränderungen der Zusammensetzung der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre im Polarwinter untersucht werden.

Einzigartige Atmosphärenforschung mit HALO

Vom nordschwedischen Kiruna aus führen die Klimaforscher mit dem Forschungsflugzeug HALO während des gesamten arktischen Winters Messflüge durch, um bisher noch unzureichend verstandene Aspekte der Wolkenphysik in Polarregionen und des Spurenstofftransportes zu untersuchen. Hierfür nutzen die Wissenschaftler eines der weltweit am besten ausgerüsteten Forschungsflugzeuge: die Gulfstream G 550 HALO.

„Für die Klimaforschung in der Nordpolarregion ist HALO das ideale Allzweck-Werkzeug“, sagt Oliver Brieger, Leiter des DLR-Forschungsflugbetriebes. „Es ist flexibel einsetzbar, hat eine Reichweite von 8000 Kilometern, viel Platz für wissenschaftliche Instrumente und kann bis auf 15 Kilometer Höhe aufsteigen.“ Mit diesen Fähigkeiten ist HALO als eines von wenigen Forschungsflugzeugen in der Lage, bis zum Nordpol zu fliegen.

Für die anstehenden Missionen wird das Forschungsflugzeug durch das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre mit einem LIDAR-System (Light Detection And Ranging), einem Massenspektrometer und einem Stickoxid-Detektor ausgerüstet. Derzeit finden erste Testflüge vom DLR-Standort Oberpfaffenhofen aus statt. Anschließend soll in drei Forschungsmissionen (POLSTRACC, GW-LCYCLE und SALSA) von Dezember bis März erkundet werden, wie die Zusammensetzung der Atmosphäre in der Nordpolarregion variiert.

Polare Stratosphäre im Klimawandel

Während sich in der südlichen Hemisphäre regelmäßig über der Antarktis im Frühjahr ein Ozonloch bildet, ist der Ozonabbau in der nördlichen Hemisphäre über der Arktis nur in extrem kalten Wintern ähnlich massiv. Dass sich die Ozonschicht seit den späten 1990er Jahren global erholt, ist vor allem den strengen Regulierungen des Ausstoßes an klimaschädlichen Fluorkohlenwasserstoffen (FCKW) zu verdanken. Doch Ozon schützt nicht nur unsere Erde vor gefährlicher Sonnenstrahlung. Es ist selbst ein Treibhausgas mit starker Klimawirkung gerade in der Übergangszone zwischen Troposphäre und Stratosphäre.

Der Fokus der Wissenschaftler liegt während der POLSTRACC-Kampagne (Polar Stratosphere in a Changing Climate) auf den in der unteren Stratosphäre ablaufenden chemischen und dynamischen Prozessen. „Der Klimawandel verändert die Dynamik der Atmosphäre und hat somit einen Einfluss auf das Auftreten von Eiswolken in der Nordpolarregion und auf die chemischen Prozesse, die an ihnen ablaufen. Wir untersuchen mit unseren Instrumenten diese Wolken-Prozesse und ihre Effekte auf den Ozonhaushalt der sich im Wandel befindenden Polarregion“, erklärt Prof. Dr. Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. Aufgrund der zunehmenden Treibhausgase erhöht sich beispielsweise die Temperatur in Bodennähe, in der Stratosphäre hingegen wird eine Abkühlung erwartet.

„Die Auswirkungen des Klimawandels sind zwar bekannt, wie allerdings die komplexen Prozesse dahinter ablaufen und welche Rolle Wolken dabei spielen ist noch nicht hinreichend erforscht“, so Prof. Voigt weiter. „Genau da setzen wir mit den HALO-Messflügen an.“ Die POLSTRACC Mission findet gemeinsam mit der Mission SALSA (Seasonality of Air mass transport and origin in the Lowermost Stratosphere using the HALO Aircraft) statt. Ziel von SALSA ist es, den Einfluss bestimmter dynamischer und meteorologischer Systeme auf die Verteilung und den Transport klimarelevanter Spurenstoffe in der Tropopausenregion, der Grenzschicht zwischen Troposphäre und der darüber liegenden Stratosphäre, zu bestimmen. Geleitet wird das Verbundprojekt vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Frankfurt in einem Konsortium mit dem DLR, dem Forschungszentrum Jülich (FZJ) und weiteren deutschen Universitäten.

Ausbreitung von Schwerewellen

Der Fokus des GW-LCYCLE-Experiments (Gravity Wave Life Cycle Experiment) liegt auf der Untersuchung der Ausbreitung von Schwerewellen. Diese können in der unteren Atmosphäre (Troposphäre) entstehen und sich in die obere Atmosphäre (Strato- bzw. Mesosphäre) ausbreiten. Dort verursachen sie Wind- und Temperaturschwankungen und beeinflussen den Energiehaushalt und langfristig auch das Klima. „Von Kiruna aus sind diese Phänomene besonders gut zu beobachten, da die skandinavischen Alpen und spezielle Wettersysteme in der Nordpolarregion starke Schwerewellenereignisse auslösen können“, erläutert Prof. Dr. Markus Rapp, Direktor des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre.

Die Wissenschaftler greifen bei ihren Messungen auf ein zweites Flugzeug der DLR-Forschungsflotte zurück: die Falcon. Bei manchen Flugexperimenten werden Falcon und HALO übereinander in Formation fliegen. Während HALO seine Messinstrumente in Richtung obere Atmosphäre ausrichtet, nimmt die Falcon die unteren Atmosphärenschichten in den Blick. „Früher war es nur möglich, Schwerewellen in der unteren oder in der oberen Atmosphäre zu messen. Heute können wir diese durchgängig erfassen. Das ist ein wichtiger Schritt der Klimaforschung, um atmosphärische Strömungsmuster zu verstehen und Prognosen zu erstellen“, freut sich Prof. Rapp. Wissenschaftlich geleitet wird das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt vom DLR.