Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Durchbruch in der Messtechnik: Neuer Hochleistungslaser könnte Wettervorhersage revolutionieren

13.01.2016

Wetter- und Klimaforscher der Universität Hohenheim entwickeln Fernerkundungssysteme einer neuen Generation / Paper in Reviews of Geophysics

Wetterprognosen und Klimasimulationen könnten künftig wesentlich genauer werden. Möglich macht das die Lidar-Methode, die weltweit präziseste Technik zur Fernerkundung der Luftfeuchtigkeit und der Temperatur.


Abtastung eines Wasserdampffeldes | Bildquelle: Universität Hohenheim


Trailer des Lidar-Systems an der Universität Hohenheim | Bildquelle: Universität Hohenheim

Mit neuartigen Geräten haben Wetter- und Klimaforscher der Universität Hohenheim der Lidar-Technik zu einem entscheidenden Durchbruch verholfen. In den Hohenheimer Systemen kommt die neueste Hochleistungslaser-Technologie zur Anwendung.

Ein internationales Forscherteam hat jetzt verschiedene Methoden zur Fernerkundung miteinander verglichen. Das Ergebnis: Die Hohenheimer Lidar-Systeme messen Wasserdampf und Temperatur in den unteren Atmosphärenschichten genauer und mit höherer Auflösung als alle anderen Systeme. Auch die Klimaforschung kann von der neuen Technik profitieren. Veröffentlicht ist die Studie in Reviews of Geophysics unter http://dx.doi.org/10.1002/2014RG000476

Diese Studie zeigt, dass noch heute dramatische Lücken in der Messung der Verteilung der Luftfeuchtigkeit und der Temperaturen in den unteren Atmosphärenschichten (bis zu 2-3 km Höhe) herrschen und damit die Qualität von Wettervorhersagen und Klimasimulationen deutlich beschränken.
Doch ganze Branchen sind von ihm abhängig: Der Wetterbericht entscheidet, ob der Bauer aufs Feld fährt, die Baustelle pausiert oder das Open-Air-Konzert stattfindet. Leider kann das öfters unliebsame Überraschungen geben.

Das soll sich künftig ändern – mit den neuen Lidar (Light Detection and Ranging)-Systemen, entwickelt von Wetter- und Klimaexperten der Universität Hohenheim. „Lidar wird die Wettervorhersage revolutionieren“, ist Prof. Dr. Volker Wulfmeyer, Leiter des Instituts für Physik und Meteorologie, überzeugt. „Vor allem bezüglich Genauigkeit und Vorhersagezeitraum kann diese Fernerkundungsmethode entscheidende Verbesserungen bringen.“

Ein internationales Forscherteam hat verschiedene Messtechniken miteinander verglichen. „Die Lidar-Systeme der Universität Hohenheim zur Wasserdampf- und Temperaturmessung zählen weltweit zu den am höchsten entwickelten bodengebundenen Systemen zur Erstellung von thermodynamischen Profilen“, bestätigt Dr. David D. Turner vom National Severe Storms Laboratory in den USA als einer der Koautoren der Studie.

Die Ergebnisse haben die Forscher jetzt in Reviews of Geophysics veröffentlicht. Diese Zeitschrift hatte im Jahr 2014 den höchsten Impact Factor aller Zeitschriften in den Geowissenschaften noch vor Nature Geoscience. Der Impact-Faktor gibt an, wie häufig im Jahresdurchschnitt ein in diesem Journal veröffentlichter Artikel zitiert wird.

Lidar-System schließt Daten-Lücken

Will man den Wasser- und Energiekreislauf im Erdsystem besser verstehen, sind möglichst genaue Darstellungen von Wasserdampf- und Temperaturprofilen in der unteren Troposphäre elementar. Fernerkundung liefert bereits heute wichtige Daten. „Diese sind jedoch noch recht ungenau“, bemängelt Prof. Dr. Wulfmeyer. „Besonders die Daten in Bodennähe lassen sehr zu wünschen übrig, Profile können praktisch noch nicht erstellt werden.“

„Es ist kaum zu glauben, wie lückenhaft unser Wissen über die Temperatur- und Feuchteverteilung in der Region ist“, so der Experte. „Man muss diesen Bereich noch heute als Terra Incognita bezeichnen. Dieses mangelhafte Wissen behindert elementar Fortschritte in der Qualität von Wettervorhersagen und Klimasimulationen.“

Diese Lücken konnten die Forscher mit Lidar schließen. Der Laser sendet einen kurzen Impuls in die Atmosphäre aus und analysiert dann das zurückgestreute Licht. Um Informationen über die Temperatur zu erhalten, arbeiten die Forscher im nicht sichtbaren UV-Bereich, zur Wasserdampf-Messung schickt Lidar einen infraroten Laserstrahl gen Himmel. Die Laufzeit der Signale lässt auf die Entfernung schließen. Die Signale sind so stark, dass innerhalb von Sekunden genaue Profile bis zu einer Höhe von mehreren Kilometern gemessen werden können.

Lidar-System bringt auch der Klimaforschung Vorteile

Eine Besonderheit der Hohenheimer Methode besteht darin, dass sie auch dreidimensionale Darstellungen ermöglicht. „Dafür wird der Laser wie ein Radar während des Messvorgangs gekippt“, erläutert Prof. Dr. Wulfmeyer. „Ohne diese Technik erhält man nur Informationen aus dem Teil der Atmosphäre, der senkrecht über dem Laser steht. Mit unserer Messung legen wir dagegen einen kompletten Schnitt von mehreren Quadratkilometern über die Landschaft.“ Und das sei besonders für die Entwicklung besserer Wettervorhersagemodelle interessant.

Koautor Dr. Turner bestätigt: “Einige hochentwickelte Lidar-Systeme haben über 10 Jahre lang Daten zu Wasserdampf und Temperatur gesammelt. Dazu zählt auch der Wasserdampf-Lidar, den wir im ‚Atmospheric Radiation Measurement‘-Programm verwenden. Diese Systeme sammeln jedoch nur Daten der direkt darüber befindlichen Luftsäule. Ein Alleinstellungsmerkmal der Hohenheimer Lidar-Systeme ist ihre Fähigkeit, mit Hilfe eines Scanners Temperatur und Wasserdampf in allen drei Dimensionen zu messen."

Doch der Anwendungsbereich der neuen Technik beschränkt sich nicht nur auf die Wettervorhersage, sie ist für die Klimaforschung gleichermaßen von Bedeutung. „Modelle sind nur so gut wie die Daten, die für ihre Überprüfung genutzt werden“, so Prof. Dr. Wulfmeyer. „Klimamodelle haben immer noch ein Problem mit der Darstellung der Luftfeuchtigkeits- und Temperaturfelder nahe am Boden, sie müssen präziser werden. Diese Verbesserung ist auch entscheidend für eine genauere Simulation von Wolken und Niederschlag inklusive extremer Ereignisse.“

Dr. R. Michael Hardesty von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in Colorado/USA, ebenfalls Mitautor der Studie, erläutert: “Die Hohenheimer Lidar-Systeme gehören zu den weltweit ersten, deren Genauigkeit und Auflösung ausreicht, um Turbulenzmessungen durchzuführen und die neue Generation von hochauflösenden Wetter- und Klima-Modellen zu verifizieren. Ihre Auflösung ist mit der von handelsüblichen Doppler Lidar-Systemen für Windmessungen vergleichbar."

Lidar-System bereit für den Praxis-Einsatz

Nun bleibt für das Lidar-System der Sprung in die Praxis. „Die Technik ist praxisreif und kann jetzt kommerzialisiert werden“, so Prof. Dr. Wulfmeyer zum Stand der Dinge. Er wünscht sich ein möglichst dichtes Netzwerk an kompakten und permanent messenden Lidar-Systeme mit der neuen Hochleistungslasertechnologie in der Hand der Wetterdienste: „20 Systeme wären für den Anfang schon recht gut.“
Text: Elsner / Klebs

Florian Klebs | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-hohenheim.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen
18.08.2017 | Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

nachricht Klimawandel: Bäume binden im Alter große Mengen Kohlenstoff
17.08.2017 | Universität Hamburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein Holodeck für Fliegen, Fische und Mäuse

21.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Institut für Lufttransportsysteme der TUHH nimmt neuen Cockpitsimulator in Betrieb

21.08.2017 | Verkehr Logistik