Ein Knall gen Himmel – und zurück

Meteorologen der Universität Leipzig untersuchen mittels Schall das Wesen von internen Schwerewellen

Bepackt mit großen Mengen neuer Messergebnisse kamen kürzlich fünf Wissenschaftler des Instituts für Meteorologie der Universität Leipzig von einem Feldexperiment aus Zvenigorod zurück. Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützten Projektes waren sie mit Kollegen des russischen Obuchov Instituts für Atmosphärenphysik an dieser Messstation nahe Moskau unterwegs, um das Wesen von internen Schwerewellen zu ergründen.

„Für die Ausbreitung von Schwerewellen ist eine stabil geschichtete Atmosphäre notwendig. Die entsteht, wenn – beispielsweise in klaren Nächten – die Temperatur mit der Höhe zunimmt“, erläutert Dr. Astrid Ziemann, wissenschaftliche Assistentin im Vorgriff auf eine Juniorprofessur am Institut für Meteorologie. „In solch einer stabil geschichteten Atmosphäre oszilliert, also schwingt, ein Luftpaket um seine ursprüngliche Ruhelage. Diese vertikalen Schwingungen werden verursacht durch Auftriebs- und Schwerkraft. Die Ausbreitung von internen Schwerewellen kann jedoch in allen Raumrichtungen erfolgen. Diese internen Schwerewellen beeinflussen nun den Energieaustausch in der Atmosphäre. Sichtbar wird das unter anderem in den Temperatur- und Windfeldern.“

Bislang weiß man kaum etwas darüber, inwieweit solche internen Schwerewellen das Wetter beeinflussen oder beispielsweise die Ausbreitung von Luftverschmutzungen verändern. Insofern gibt es auch noch keine wissenschaftlichen Wege, auf denen man sie in die Modelle der Wettervorhersage einbringen kann.

Um Informationen über Luftschichten zu erhalten, werden Schallwellen ausgesandt und deren Parameter gemessen, nachdem diese die zu erforschenden Räume durchdrungen haben. Der Schall kommt nämlich nicht in unveränderter Form am Mikrofon an, denn zwischen einem Sende- und einem Empfangspunkt nehmen die Schallparameter, welche die Schallwellenausbreitung beschreiben, Informationen über den Zustand der sondierten Luftschicht auf. Wind und Wärme beispielsweise verdriften, bremsen oder beschleunigen den Schall. Vergleicht man die ausgesendeten mit den empfangenen Schallwellen, sind also Aussagen über Wettererscheinungen entlang der Sendestrecken möglich.

Diese Technik setzen die Leipziger Meteorologen schon seit einiger Zeit ein. Was ihnen allerdings bislang fehlte, war eine extrem starke, bis in die Schwerewellen-Region reichende Schallquelle und ein Areal, auf dem diese eingesetzt werden konnte. Auf einem der regelmäßigen internationalen Kongresse zur akustischen Fernerkundung kamen die Leipziger mit ihren Kollegen vom Obuchov Institut für Atmosphärenphysik ins Gespräch; die hatten die entsprechenden Möglichkeiten. Im Sommer 2005 begann der Aufbau des gemeinsamen Experimentes. Die zentrale Schallquelle sendete ein explosionsartiges Signal aus, das an mehreren Punkten im Abstand von einigen Kilometern aufgezeichnet wurde. Die Forscher des Leipziger Instituts für Meteorologie installierten dazu drei Mikrofone, die als Dreieck im Abstand von etwa 30 Metern standen und 2,5 Kilometer von der Schallquelle entfernt waren.

Der Bogen, den der zumeist nachts ausgesendete Schall durch die Atmosphäre zeichnete, reichte bis in mehrere hundert Meter Höhe und durchquerte damit auch die Schwerewellen.

„Der Vorteil des gemeinsamen Experimentes lag einerseits darin, dass eine wesentlich höhere Anzahl von Sensoren, also Schallempfänger gleichzeitig eingesetzt werden konnte“, so der Leipziger Meteorologe Dr. Klaus Arnold. „Durch die Kombination der unterschiedlichen Messtechniken und experimentellen Erfahrungen der beteiligten Projektpartner ergaben sich erhebliche Synergieeffekte. Eine erste Analyse der gewonnen Messdaten lässt darauf schließen, dass die Zielstellung des Experimentes, die Gewinnung von Datensätzen der Schallsignalausbreitung über Distanzen von mehreren Kilometern unter unterschiedlichen meteorologischen Bedingungen zur Untersuchung von Schwerewellen, erfüllt ist.“

Jetzt beginnt für die Meteorologen die Auswertung der umfangreichen Daten und die Arbeit an Rechenmodellen. „Dabei stehen wir in engem Kontakt mit unseren russischen Kollegen“, so Astrid Ziemann, „die mit anderen Geräten die gleichen Phänomene gemessen haben.“

Marlis Heinz

weitere Informationen:
Dr. Astrid Ziemann
Telefon: 0341-97 3 28 71
E-Mail: ziemann@uni-leipzig.de