Welttag der Meteorologie - eine Tradition seit Jahrzehnten
Jedes Jahr am 23. März wird weltweit der Welttag der Meteorologie begangen. Anlass ist das Inkrafttreten der Konvention zur Gründung der Weltorganisation für Meteorologie (englisch World Meteorological Organization, kurz WMO) im Jahre 1950. Diese Sonderorganisation der Vereinten Nationen hat ihren Sitz in Genf (Schweiz), ist aber global tätig, um die weltweite Zusammenarbeit im Bereich Wettervorhersage zu unterstützen.
Der 23. März ist daher ein Tag, den Beschäftigte von Wetterdiensten und auch von Forschungseinrichtungen weltweit nutzen, um auf ihre Arbeit hinzuweisen. So auch beim Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), an dem viele Meteorologinnen und Meteorologen arbeiten und dessen Mission es ist, Prozesse in der Troposphäre – also in der „Wetterküche“ der Erde – zu untersuchen.
Außerdem bestehen mit der WMO diverse Kooperationen: Die Langzeitbeobachtungen der TROPOS-Forschungsstation Melpitz (bei Leipzig) von klimarelevanten Partikeln und Gasen sind inzwischen Teil des „Global Atmosphere Watch Programme“ (GAW) der WMO. Gleiches gilt auch für das Weltkalibrierungszentrum (WCCAP) für Aerosolphysik. Am TROPOS in Leipzig werden physikalische Aerosolmessgeräte aus aller Welt kalibriert und das Personal dazu zur Qualitätssicherung geschult.
2019: Die Sonne, die Erde und das Wetter
2019 hat die WMO den Welttag der Meteorologie unter das Motto „Die Sonne, die Erde und das Wetter“ („The Sun, the Earth and the Weather“) gestellt. Die Sonne liefert die Energie, die alles Leben auf der Erde antreibt. Sie treibt das Wetter, die Meeresströmungen und den hydrologischen Kreislauf an. Sie prägt unsere Stimmung und unser tägliches Handeln. Sie ist die Inspiration für Musik, Fotografie und Kunst, so begründet die WMO das Motto des diesjährigen Welttages: https://worldmetday.wmo.int/en
„Die Sonne, die Erde und das Wetter“ („The Sun, the Earth and the Weather“) ist das Motto 2019. Quelle: WMO.
Die Sonne und die Atmosphärenforschung
Die Sonne spielt auch in der Forschung des TROPOS eine große Rolle, denn Aerosol-Partikel und Wolken dämpfen und reflektieren die Sonnenstrahlung. Die kurzwellige Sonnenstrahlung ist die Hauptenergiequelle für den Antrieb für die Prozesse in der Atmosphäre und das globale Klima. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre wird die Sonnenenergie von Gasmolekülen, Aerosolpartikeln und Wassertropfen bzw. Eiskristallen in den Wolken beeinflusst. Am Boden wird sie absorbiert bzw. reflektiert und in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt. Viele Faktoren beeinflussen so die Energiebilanz der Atmosphäre. Sie zu verstehen ist wichtig, um Wettervorhersagen zu verbessern und die Entwicklung des Klima besser abschätzen zu können. Neben dem Klima wirkt sich die Sonne aber auch auf die Luftqualität aus, denn photochemische Prozesse sorgen für die Bildung oder den Abbau von Schadstoffen in der Luft.
Auf dieser Webseite haben wir daher anlässlich des Welttags der Meteorologie eine kleine Auswahl von Forschungsthemen und -projekten zusammengestellt, in denen die Sonne am TROPOS eine Rolle spielt:
Sonne am TROPOS
Strahlungsmessungen mit Pyranometern. Foto: Patric Seifert, TROPOS
Wie wird die Sonne gemessen?
Sonnenphotometrie
TROPOS betreibt in Leipzig ein Photometer des weltweiten Aerosol Robotic Network (AERONET) der NASA. Dieses Photometer ist ein sogenanntes Sun/Sky/Lunar-Photometer und vermisst die Lichtschwächung des Sonnenlichts oder des Mondlichts aufgrund der Streuung und Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Aerosolpartikel rund um die Uhr alle 10 bis 15 Minuten. Die Daten aus Leipzig fließen in das weltweite Beobachtungsnetz und helfen so, die Dämpfung der Sonnenstrahlung durch Wolken oder Luftverschmutzung besser zu erfassen.
Luftverschmutzung per Mondlicht messen
Das Sonnenphotometer am TROPOS in Leipzig ist die einzige AERONET-Station in Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen, die nicht nur tagsüber sondern auch nachts die Trübung der Atmosphäre messen kann. Möglich wurde das durch eine neue Generation an Sonnenphotometern, die inzwischen so empfindlich sind, dass auch Mondlicht bereits ausreicht, um zuverlässig Aussagen zur Menge der Staubpartikel in der Atmosphäre zu erhalten.
https://www.tropos.de/index.php?id=923
Pyranometer aus Leipzig helfen, Schwankungen in der Stromproduktion besser vorherzusagen
Die Erzeugung von Photovoltaikstrom unterliegt wetterbedingten Schwankungen, deren genaue Vorhersage eine große Herausforderung für den Betrieb der Stromnetze darstellt. Im Herbst 2018 bzw. Sommer 2019 untersuchen Wissenschaftler des Verbundprojekts „MetPVNet“ auf dem Versorgungsgebiet der Allgäuer Überlandwerke die Auswirkungen von Wolken auf die Sonneneinstrahlung und die Stromproduktion von Photovoltaikanlagen mit großer Präzision. TROPOS steuert dabei ein Netz an Sensoren zum Messen der Sonnenstrahlung und Knowhow bei der Auswertung von Satellitendaten bei.
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/die-kraft-der-sonne-besser-nutzen/
&
http://metpvnet.de/
Pyranometer erfassen die kleine, räumliche Unterschiede in der Sonnenstrahlung
Pyranometer sind Messgeräte, die eintreffende Sonneneinstrahlung erfassen. TROPOS hat dazu ein Netz dieser Geräte aufgebaut, um die räumliche Variabilität der Sonneneinstrahlung zu erfassen. Dieses einzigartige, mobilen Meßnetz von 100 Pyranometerstationen kam 2013 in Jülich bei einer Messkampagne erstmals zum Einsatz:
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/wolken-licht-schatten/
&
https://www.tropos.de/institut/abteilungen/ag-satellitenfernerkundung/erforschung-der-kleinskaligen-variabilitaet-von-wolken
Strahlungsmesstation (SMS)
Für eine möglichst komplette Messung der Strahlungsparameter ist in der Abteilung Fernerkundung im Jahr 2013 eine Strahlungsmesstation (SMS) entwickelt worden, die weltweit auf Messkampagnen eingesetzt wird.
OCEANET-Messungen auf dem Atlantik
Die Sonnenstrahlung als wichtiger Parameter des Klimas wird auch mit Messgeräten des OCEANET-Containers erfasst. Dieser ist weltweit im Einsatz. Sein Haupteinsatzgebiet sind Expeditionen des deutschen Forschungseisbrechers Polarstern. Bei den Transferfahrten in die Antarktis ist dieser Container oft dabei und erfasst dabei Wolken und Sonnenstrahlung über dem Atlantischen Ozean.
Im Rahmen der regelmäßigen Atlantik-Überfahrten des deutschen Forschungseisbrechers Polarstern wird auch stets zwischen den Wendekreisen des Nordens und des Südens ein Bereich gequert, an dem die Sonne nahezu perfekt im Zenit steht. Hier steht am Oberrand der Atmosphäre die maximal mögliche Sonnenstrahlung von 1362 Wm-2 zur Verfügung. Tatsächlich kann an der Oberfläche der Erde kurzfristig sogar noch sehr viel mehr Sonnenenergie eingestrahlt werden, wenn zusätzlich zur direkten Sonneneinstrahlung durch Wolken Sonneneinstrahlung aus der Umgebung zum Boden gestreut wird, wie im Himmelskamerabild gezeigt. Die Abbildung zeigt einen auf Polarstern zur Zenitsonne gemessenen Tagesgang am 19.11.2010 mit Einstrahlungswerten bis zu 1824 Wm-2 (zum gleichen Zeitpunkt des Himmelskamerabildes). Die Messungen fanden im Rahmen des OCEANET-Projektes statt.
Rekordverdächtiger Wert der Sonnenstrahlung von bis zu 1824 Wm-2, gemessen am 19.11.2010 während der Polarstern-Expedition PS86 (ANT XXVII/1) auf dem Atlantischen Ozean. Quelle: Andreas Macke, TROPOS
Welchen Einfluss hat der Staub in der Atmosphäre auf Sonne und Klima?
Auch wenn Staubpartikel recht klein sind, zusammen kommen sie in der Summe auf eine Masse von 1500 Mega-Tonnen, die über das gesamte Jahr verteilt in die Atmosphäre gelangen. Je mehr Staub in der Luft ist, umso mehr wird das Sonnenlicht reflektiert und die am Boden ankommenden Sonnenstrahlen gedimmt. Neben den Auswirkungen auf die Gesundheit macht sich das auch in der Temperatur bemerkbar.
Forschende des TROPOS sind daher seit vielen Jahren im Staubgürtel der Erde unterwegs.
Hautquelle ist die Sahara mit etwa 1000 Mega-Tonnen. Aber auch die Wüsten und Steppen des Nahen Ostens und Westasiens emittieren große Mengen an Staub und beeinflussen so das lokale und das globale Klima.
Gut zu WISSEN: Staub im Fokus
https://www.tropos.de/entdecken/gut-zu-wissen/staub-im-fokus/
Staubquellen im Erdsystem – InterDust
Modellierung des Transports von Saharastaub
CADEX (Central Asian Dust EXperiment)
https://www.tropos.de/forschung/grossprojekte-infrastruktur-technologie/verbundprojekte/cadex
Central Asian DUst Conference (CADUC): 8.-12. April 2019
https://www.e3s-conferences.org/caduc-2019
Leipziger Staubtag
Rund um das Thema Wüstenstaub wird in Deutschland in verschiedenen Fachbereichen und Instituten geforscht. Um die Vielfalt zusammenzubringen und neue Verbindungen zu knüpfen, wurde der "Leipziger Staubtag" ins Leben gerufen.
https://www.tropos.de/aktuelles/veranstaltungen/leipziger-staubtag/
Leibniz stärkt Leipziger Staubforschung
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/leibniz-staerkt-leipziger-staubforschung/
Sandbank in Mauretanien. Foto: Kerstin Schepanski, TROPOS
Wie wirkt die Sonne als Motor auf die chemischen Prozesse in der Atmosphäre?
Die Sonne wirkt als Antrieb für viele chemischen Prozesse in der Atmosphäre, die unter dem Stichwort Photochemie zusammengefasst werden. Das sind chemische Reaktionen, die durch die Einwirkung von Licht initiiert werden, wenn die Sonnenenergie auf die Moleküle trifft. Die Photochemie von organischen Verbindungen spielt eine zentrale Rolle beim Abbau von organischen Verbindungen in den Wolkentröpfchen. Die dabei entstehenden Produkte beeinflussen das Oxidationsbudget der Troposphäre und damit stattfindende Transformationsprozesse von chemischen Verbindungen. Um den Einfluss solcher Prozesse besser zu verstehen und in Modellen wiedergeben zu können, werden am TROPOS verschiedenste Laboruntersuchungen durchgeführt. Das neue Laborgebäude mit der deutschlandweit einmaligen Aerosol-Doppelkammer und dem Laser-Labor bietet dafür hervorragende Voraussetzungen.
Licht lässt Partikel wachsen
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/licht-laesst-partikel-wachsen/
Photokatalyse:
Um das Potential von photokatalytisch aktiven (Bau-) Materialien beim Abbau der Luftschadstoffe Stickoxide (NOx), Ozon (O3) und ausgewählter flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) einzuschätzen, beteiligte sich TROPOS am EU-Projekt PhotoPAQ. Dabei wurden verschiedene Laborexperimenten durchgeführt und zusätzlich wurde in Experimenten in der Leipziger Aerosolkammer (LEAK) die sekundäre Bildung von Reaktionsprodukten untersucht.
PHOTOSOA
Im Projekt PHOTOSOA wird die Photosensibilisierung in der Troposphäre studiert, da dieser Prozess eine wichtige Rolle in der Bildung und Alterung von sogenanntem sekundären organischen Aerosolen (SOA) spielt. SOA kann zu größeren Partikeln anwachsen und dann die Wolkenbildung, Klima und Luftqualität beeinflussen. Um den Einfluss und die Wichtigkeit dieser Prozesse auf die SOA-Bildung besser zu verstehen werden grundlegende Laboruntersuchungen durchgeführt. PHOTOSOA trägt somit dazu bei, Unsicherheiten im Wissen um die SOA-Bildung zu reduzieren und später die Klimamodelle zu verbessern.
http://gepris.dfg.de/gepris/projekt/316976724
Aerosolkammerexperimente
Reaktionen in wässriger Phase: Kinetische und mechanistische Untersuchungen
Laboruntersuchungen zu Partikelbildung und frühes Wachstum
Impressionen vom neuen Laborgebäude für Atmosphärenchemie
In der Aerosolkammer, einer deutschlandweit einmaligen Doppelkammer, wird am TROPOS die Wirkung der Sonne auf chemische Prozesse in der Atmosphäre in Laborexerimenten untersucht. Foto: Tilo Arnhold, TROPOS
Welche Rolle spielt die Sonne bei unseren Forschungspartnern?
Atmosphärische Strahlung an der Universität Leipzig
Mit den Sonnenstrahlen befasst sich auch das Leipziger Institut für Meteorologie (LIM) an der Universität Leipzig intensiv, das eine eigene Arbeitsgruppe Atmosphärische Strahlung betreibt, die die Wechselwirkungen von solarer, spektral aufgelöster Strahlung mit Wolken und der Erdoberfläche untersucht. LIM und TROPOS kooperieren u.a. beim DFG-Transregio TR172 „Arktische Klimaverstärkung“ und arbeiten bei vielen Messkampagnen eng zusammen, so z.B. bei der MOSAiC-Expedition der Polarstern 2019/20.
http://home.uni-leipzig.de/strahlen/web/de_index.php
Die Sonne als Motor des Wetters auf der Erde
Der Deutsche Wetterdienst zum Welttag der Meteorologie
https://www.dwd.de/DE/presse/pressemitteilungen/DE/2019/20190320_wmo_2019_news.html
https://www.dwd.de/DE/service/lexikon/Functions/glossar.html?lv2=102936&lv3=103086
https://www.dwd.de/DE/derdwd/koop/international/_functions/Teasergroup/teaser_wmo.html
Messkampagne HCCT-2010 auf der Schmücke im Thüringer Wald. Foto: Stephan Mertes, TROPOS