Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auszeichnung für Forschung im Zwielicht

19.07.2013
Leipziger Schüler erhalten VON ARDENNE-Physikpreis und Dr. Hans-Riegel-Fachpreis für die Untersuchung von Wolkenrändern

Wie groß ist eine Wolke? Diese Frage ist nicht einfach zu beantworten, denn eine Wolke hat keinen scharfen Rand. Vielmehr ist der Übergang zwischen Wolke und klarem Himmel fließend. Man spricht auch von der Zwielicht-Zone (engl. „Twilight-Zone“), die Atmosphärenforschern auf der ganzen Welt seit längerem großes Kopfzerbrechen bereitet.

Den Leipziger Abiturienten Johannes Petzold und Jakob Ullmann von der Wilhelm-Ostwald-Schule ist es nun im Rahmen ihrer besonderen Lernleistungen (BeLL) gelungen, die optischen Streueffekte in dieser Zone mathematisch zu beschreiben. In zwei zunächst unabhängigen Arbeiten nutzten sie Daten der Wolkenkamera und eines Lidars des Leipziger Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS).

Die BeLL von Jakob Ullmann wurde am Donnerstag, dem 11. Juli 2013, vom Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) mit dem VON ARDENNE-Physikpreis ausgezeichnet. Außerdem erhielten Jakob Ullmann und Johannes Petzold jeweils einen der Dr. Hans-Riegel-Fachpreise im Fach Geographie, mit denen die Technische Universität Dresden und die Dr. Hans Riegel-Stiftung am 5. Juli 2013 Forschungsarbeiten von sächsischen SchülerInnen ausgezeichnet haben. Betreut wurden die beiden Schüler am Ostwald-Gynmasium von Petra Schupke und am TROPOS von Johannes Bühl und Dr. Ulla Wandinger aus der Abteilung für bodengebundene Fernerkundung.

Eine Wolke entsteht dort, wo die relative Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre 100 Prozent übersteigt. Der Teil des Wasserdampfes, den die Luft nicht mehr aufnehmen kann, schlägt sich dann auf Aerosolpartikeln (Staubpartikel, Seesalz, Ruß, Schwefelwasserstoffe) nieder. Es entsteht eine große Anzahl mikroskopisch kleiner Tröpfchen, die wir am Himmel als „Wolke“ wahrnehmen.

Eine solche Wolke entsteht jedoch nicht einfach schlagartig. In der unmittelbaren Umgebung einer Wolke ist die Luftfeuchtigkeit bereits erhöht, die Sättigungsgrenze aber noch nicht erreicht. Schon bei einer Luftfeuchtigkeit von ca. 70 Prozent wächst so auf den Aerosolpartikeln eine Wasserschicht. Diese aufgequollenen Partikel streuen das Sonnenlicht bereits wesentlich besser als trockene. Um die eigentliche Wolke herum entsteht so ein Bereich diffusen Nebels, den wir mit dem Auge wahrnehmen oder mit einer Kamera aufzeichnen können. Der israelische Forscher Ilan Koren gab diesem Bereich 2007 den Namen „Twilight-Zone“ und wies darauf hin, dass es wichtig ist, die optischen Eigenschaften dieser Zone zu erforschen. Aerosole und Wolken spielen unabhängig voneinander eine große Rolle für die Entwicklung des Erdklimas.

Optische Satellitenmessungen wiederum liefern wichtige Eingangsdaten für Klimasimulationen. Wenn hier Aerosole und Wolke nicht genau unterschieden werden können, schleichen sich entscheidende Fehler in die Berechnungen ein. An den Rändern von Wolken (in der Twilight-Zone) sind optische Messungen jedoch immer zweideutig: Wo hört die Wolke auf, wo fängt das trockene Aerosol an? Ilan Koren und seine Kollegen nutzten daher Satellitenbilder von Wolken über dem freien Ozean um die Struktur der Twilight-Zone zur erforschen. Die verwendeten Aufnahmen des NASA-Satelliten Aqua haben allerdings einen entscheidenden Nachteil: Man kann auf ihnen nur Strukturen erkennen, die größer sind als ein Kilometer.

Hier setzen die Untersuchungen von Jakob Ullmann an. Die bodengebundene Wolkenkamera des TROPOS kann Wolkenstrukturen bereits ab einem Meter Größe erfassen. So wurde es möglich, das Phänomen der Twilight-Zone auch auf Größenskalen zu untersuchen, die aus dem Weltraum nicht zugänglich sind. Die Umkehrung der Blickrichtung hat allerdings Konsequenzen: Während ein Satellit weiße Wolken über einem nahezu schwarzen Ozean sieht, ist ein vom Boden gemachtes Foto wesentlich schwieriger zu interpretieren.

Die Farbe des Himmelshintergrundes ändert sich ständig, die Sonne ist als „Störquelle“ im Bild zu sehen und geometrische Verzerrungen durch das Objektiv der Wolkenkamera erschweren die Auswertung der Daten. Die Bilder müssen daher zunächst aufwendig vorverarbeitet werden, bevor die „Twilight-Zone“ vermessen werden kann. Für die Vorverarbeitung und die Vermessung der Wolkenbilder entwickelte Jakob Ullmann spezielle Auswertealgorithmen und Optimierungsverfahren. So konnte die „Twilight-Zone“ für eine große Anzahl von Wolken nun auch auf kleinen Skalen präzise vermessen werden.

Die Verfahren funktionieren dabei in beide Richtungen: Sie eignen sich sowohl für die Vermessung als auch für die Simulation einer Twilight-Zone. Die Arbeit wurde nun von einer Jury aus Professoren des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf sowie der sächsischen Universitäten mit dem VON ARDENNE-Physikpreis ausgezeichnet, der mit einem Geldbetrag dotiert ist. Er wurde am 11. Juli 2013 in Rossendorf an Jakob Ullmann und weitere Schüler verliehen. Der Preis wird vergeben für hervorragende BeLL-Arbeiten an sächsischen Schulen.

Im Rahmen einer weiteren BeLL, die zur selben Zeit am TROPOS durchgeführt wurde, beschäftigte sich Johannes Petzold mit der Vermessung von Wolkenhöhen. Dabei wurde die Höhe der Wolkenbasis über dem Erdboden mit Hilfe eines Lasers vermessen (Lidar-Prinzip). Die Kombination von Messergebnissen beider BeLL-Arbeiten erlaubte es erstmals, die Höhenabhängigkeit der Twilight-Zone zu vermessen. Für Wolken in niedrigen Höhen (ein Kilometer) ist sie demnach ca. 100 Meter groß, nimmt jedoch mit der Höhe an Größe zu und erreicht für „mittelhohe“ Wolken (Altocumulus) 800 Meter. (Als Maß für die Größe wird hier die „Halbwertsbreite“ herangezogen, also der Abstand von der eigentlichen Wolke bei dem die ursprüngliche Lichtintensität auf 37 Prozent ihres Anfangswertes abgefallen ist.)

Diese Ergebnisse wurden im Rahmen einer gemeinsamen Jugend-Forscht-Arbeit präsentiert und am 5. Juli 2013 in der TU Dresden mit dem Dr. Hans-Riegel-Fachpreis ausgezeichnet.

Thema „Aerosol und Wolken":

Die Untersuchung von Aerosolen, Wolken und deren Wechselwirkung ist ein Forschungsschwerpunkt des TROPOS. Die Forscher der Abteilung für bodengebundene Fernerkundung nutzen dabei passive Messgeräte (Wolkenkameras, Radiometer) und aktive (Lidar). Die Abkürzung Lidar bedeutet „Light Detection And Ranging“, dabei wird ein nur wenige Nanosekunden langer Lichtpuls senkrecht in die Atmosphäre gesendet. Das von Luftmolekülen, Aerosolpartikeln und Wolkentropfen zurückgestreute Licht wird am Boden mit Hilfe eines Teleskops aufgefangen und mit speziellen Detektoren analysiert. So kann man Rückschlüsse darüber treffen, wie Aerosole und Wolken miteinander interagieren und wie auf diese Weise z.B. Niederschlag entsteht. Die Bewohner Leipzigs werden den „grünen Strahl“ kennen, der öfters bei niedriger Bewölkung über dem Gelände des Wissenschaftsparks Permoserstraße zu sehen ist. Er stammt vom Lidar „MARTHA“.

Thema „Besondere Lernleistung":

Eine besondere Lernleistung (BeLL) kann in Sachsen fakultativ von Schülern der 11. Klasse angefertigt werden. Dazu steht in Klasse 11 alle zwei Wochen ein kompletter Schultag zur Verfügung. Die Arbeit wird durch eine Physik-Lehrkraft der Schule betreut und benotet und fließt mit in die Abiturnote ein. Das Thema kann dabei frei gewählt werden.

Weitere Informationen:

Johannes Bühl
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig
Tel.: 0341-2717-7312
johannes.buehl@tropos.de
oder
Beate Richter/ Tilo Arnhold, TROPOS-Öffentlichkeitsarbeit
Tel. 0341-2717-7060
http://www.tropos.de/ift_personal.html
Links:
VON ARDENNE-Physikpreis:
http://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=11336&pNid=901
Fotos der Verleihung der VON ARDENNE Physikpreise 2013 (Bildquelle: HZDR):
http://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=2962
Pressemitteilungen des HZDR und der VON ARDENNE Anlagentechnik GmbH:
http://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=39353&pNid=473
http://www.vonardenne.biz/VON_ARDENNE/Presse-Events/NachrichtenPresse/Aktuell/id/VON-ARDENNE-Physikpreise-177
Dr. Hans Riegel-Fachpreise:
http://www.hans-riegel-fachpreise.com/deDE/start/news/11-forschungen-zu-hochleistungssport-wolken-und-krebs.html
Messungen am TROPOS:
Aufnahmen der Wolkenkamera:
http://polly.tropos.de/webcam/
Messungen der Wolkenhöhen:
http://polly.tropos.de/lacros/ceilometer/ceilometer.php
Leipzig Aerosol and Cloud Observations System (LACROS):
http://polly.tropos.de/lacros/

Tilo Arnhold | TROPOS
Weitere Informationen:
http://www.tropos.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Förderungen Preise:

nachricht Forschungspreis „Transformative Wissenschaft 2018“ ausgelobt
16.02.2018 | Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie gGmbH

nachricht Preis der DPG für superpräzisen 3-D-Laserdruck aus Karlsruhe
14.02.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Förderungen Preise >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Optiktage: Expertenwissen in zwei Konferenzen für die Glas- und Kunststoffoptikfertigung

19.02.2018 | Veranstaltungen

Konferenz "Die Mobilität von morgen gestalten"

19.02.2018 | Veranstaltungen

Von Bitcoins bis zur Genomchirurgie

19.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zukunft wird gedruckt

19.02.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer HHI präsentiert neueste VR- und 5G-Technologien auf dem Mobile World Congress

19.02.2018 | Messenachrichten

Stabile Gashydrate lösen Hangrutschung aus

19.02.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics