D2 Vertikalprofile vor Ort

Thema

Vertikale In-situ-Sondierungen gelten als Goldstandard zur Bestimmung der thermodynamischen und dynamischen Struktur der Troposphäre und unteren Stratosphäre – also der Veränderungen von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Wind mit der Höhe. Das Standardinstrument für vertikale In-situ-Sondierungen ist die Radiosonde: ein kleiner Sender, der von einem Heliumballon mit einer Geschwindigkeit von etwa fünf Metern pro Sekunde nach oben getragen wird. Während des Aufstiegs misst die Radiosonde in jeder erreichten Höhe Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Windgeschwindigkeit, wobei die Windgeschwindigkeit die Position des Ballons präzise verfolgt. Die Radiosonde steigt mit dem Heliumballon bis zu einer Höhe zwischen 20 und 35 Kilometern auf, wo der Ballon schließlich platzt und die Radiosonde ihre Übertragung einstellt.

Diese Radiosonden werden nicht einzeln gestartet, sondern als Teil eines internationalen Radiosondennetzwerks, das den Start von etwa 1.200 Sonden zweimal täglich koordiniert, immer zur gleichen Zeit weltweit – Mitternacht und Mittag, gemäß der gleichen Weltzeit –, sodass atmosphärische Messungen in verschiedenen Ländern so verglichen werden können, als wären sie gleichzeitig durchgeführt worden.

Jede der von der Radiosonde gemessenen Variablen weist eine eigene Fehlertoleranz auf: Die Temperatur wird mit einer Genauigkeit von zwei bis fünf Zehntel Grad, die relative Luftfeuchtigkeit mit einer Genauigkeit von fünf bis zehn Prozentpunkten, der Luftdruck mit einer Genauigkeit von einer halben bis einer Einheit atmosphärischen Drucks und der Wind mit einer Genauigkeit von fünf Zehntel bis einem Meter pro Sekunde gemessen. Je höher diese Genauigkeit, desto zuverlässiger ist die von der Radiosonde erfasste vertikale Struktur.

Das von der aufsteigenden Radiosonde erzeugte Temperaturprofil ermöglicht es Wissenschaftlern, anhand der Temperaturänderung mit der Höhe die Mischungsschicht nahe der Oberfläche, die atmosphärische Stabilität in jeder Höhe, die Kondensationshöhen und die verfügbare Konvektionsenergie sowie die konvektive Hemmung, die diese Energie überwinden muss, um freigesetzt zu werden, zu berechnen. Das von derselben Radiosonde erzeugte Windprofil wiederum ermöglicht es Wissenschaftlern, die Windscherung zwischen verschiedenen Höhen, den durch horizontale Temperaturänderungen verursachten thermischen Wind und die für die Gewitterentwicklung verfügbare Zeit zu berechnen.

Das gleiche Prinzip der Radiosonde – eines kleinen Instruments, das durch die Atmosphäre auf- oder absteigt und deren Eigenschaften misst – wird für spezialisiertere Instrumente adaptiert. Ozonsonden ersetzen Standardsensoren durch einen Sensor, der das vertikale Ozonprofil mittels einer chemischen Reaktion misst, die durch den Luftdurchsatz elektrisch aktiviert wird. Fallsonden hingegen kehren den Sondierungsprozess um: Es handelt sich um Radiosonden, die von einem Flugzeug aus gestartet werden und per Fallschirm absinken, anstatt an einem Ballon aufzusteigen. Diese Fähigkeit, die Atmosphäre innerhalb weniger Minuten von oben bis unten zu erfassen, macht sie besonders nützlich für die Charakterisierung tropischer Wirbelstürme, wo das Warten auf den Aufstieg eines Ballons vom Meeresspiegel aus unpraktisch wäre. Keine Sondierung, so präzise sie auch sein mag, beschreibt die gesamte Atmosphäre allein, da Radiosonden und ihre Varianten nur von festen Standorten und zu festen Zeiten gestartet werden. Die vollständige Rekonstruktion des atmosphärischen Zustands kombiniert daher Radiosondendaten mit dem zum selben Zeitpunkt von einem numerischen Vorhersagemodell berechneten Zustand. Hierfür wird ein Datenassimilationsverfahren angewendet: Das von der Radiosonde erfasste Profil korrigiert das numerische Vorhersagemodell an den Stellen, an denen Abweichungen auftreten. Das numerische Vorhersagemodell wiederum füllt die Lücken zwischen den Messpunkten mit seiner eigenen Struktur. So entsteht eine optimale Analyse des aktuellen atmosphärischen Zustands.

Das Ergebnis dieses gesamten Prozesses – vom Aufstieg der Radiosonde bis zur optimalen Analyse durch Datenassimilation – ist die troposphärische Struktur, die durch vertikale In-situ-Sondierungen sichtbar wird: Schichten mit unterschiedlicher Stabilität, Temperaturinversionen, bei denen die Temperatur mit der Höhe steigt statt fällt, Wolken und Zonen relativer Luftfeuchtigkeit. Diese beschreiben gemeinsam die atmosphärische Struktur zu diesem Zeitpunkt und an diesem Ort. Daher bleiben vertikale In-situ-Sondierungen der Goldstandard für die Gewinnung und Validierung der thermodynamischen und dynamischen Struktur der Troposphäre und der unteren Stratosphäre, mit der diese Beschreibung beginnt.

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