Hitzewelle in der Arktis

Mitte März 2022 hat die großangelegte, internationale Forschungs­kampagne HALO-(AC)³ zur Untersuchung der Änderungen von Luftmassen in der Arktis begonnen. Drei deutsche Forschungs­flugzeuge werden eingesetzt, Wissenschaftler aus Großbritannien und Frankreich werden bei gemeinsamen Flügen mit zwei weiteren Flugzeugen ebenfalls beteiligt sein. Dabei liegt besonderes Augenmerk auf nordwärts gerichtete Warmluft­einschübe in die zentrale Arktis sowie Kaltluft­ausbrüche aus der Arktis in Richtung Süden. Ziel der Messungen ist die Untersuchung der Prozesse, die zum in den letzten Jahr­zehnten beobachteten über­durch­schnittlichen Temperatur­anstieg in der Arktis führen. Dieser ist mit zwei bis drei Grad Celsius in den letzten fünfzig Jahren viel stärker als die Erwärmung in anderen Regionen der Erde. Dieses Phänomen wird als „arktische Verstärkung“ bezeichnet.

Die Temperaturerhöhung wirkt sich nicht nur auf das regionale Klimasystem der Arktis aus. Auch das heimische Wetter in den mittleren Breiten kann durch den Temperatur­anstieg in der Arktis beeinflusst werden. Die HALO-(AC)³-Kampagne wird dazu beizutragen, die Prozesse hinter den derzeit ablaufenden drastischen Klima­veränderungen in der Arktis besser zu verstehen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist mit Instrumenten auf den Forschungs­flugzeugen HALO sowie Polar 6 vertreten.

Bereits während der ersten Messflüge seit dem 12. März 2022 gab es einen massiven Warmlufteinschub in die Arktis. Bei diesem Ereignis wurden mehrere ungewöhnliche Phänomene wie starker Regen über dem Meereis und massive Wolken, die fast so hoch wie in den Tropen reichen, beobachtet. Mit der Ankunft weiterer Forschungs­flugzeuge starteten am 19. März 2022 die geplanten, koordinierten Messflüge, um die Komplexität dieser Ereignisse besser zu verstehen.

Manfred Wendisch vom Institut für Meteorologie der Universität Leipzig ist wissenschaftlicher Koordinator der fünfwöchigen HALO-(AC)³-Messkampagne, bei der die Änderungen von Luftmassen auf ihrem Weg in und aus der Arktis untersucht werden sollen. Was genau dabei mit den Luftmassen insbesondere in Bezug auf die Wolkenbildung geschieht, soll detailliert beobachtet und mit modernsten Instrumenten vermessen werden. Diese Luftmassen­änderungen können nicht durch lokale bodengestützte Messungen charakterisiert werden, denn in der zentralen Arktis gibt es nur wenige meteorologische Messstationen. Deshalb werden im Rahmen von HALO-(AC)³ drei deutsche Messflugzeuge zur Beobachtung der Luftmassen eingesetzt. Die große Reichweite der Flugzeuge wird genutzt, um die Veränderungen der Luftmassen mit Hilfe der quasi-Lagrangeschen Beobachtungs­methode zu charakterisieren. Bei dieser Art von Messung wird die Flugroute an die Zugrichtung der Luftmasse angepasst, um die Veränderungen von Wolken, Feuchtigkeit, Temperatur und vieler weiterer Parameter direkt zu vermessen. Die so gewonnenen Daten sollen zur Abschätzung der Genauigkeit von numerischen Wetter­vorhersage­modellen genutzt werden, die für die Vorhersage zukünftiger Änderungen des arktischen Klimas notwendig sind. Damit wird die Kampagne helfen, eine wichtige Wissenslücke in der Klimaforschung zu schließen, die auch der Weltklimarat IPCC im zweiten Teil seines aktuellen Sachstandsberichts aufzeigt.

Manfred Wendisch fasst die Zielstellung zusammen: „Die Vorhersage der Zukunft des arktischen Klimas bleibt schwierig. Um zur Klärung wesentlicher Unsicherheiten bei der Projektion der zukünftigen Klima­entwicklung in der Arktis beizutragen, wollen wir unter Nutzung einer neuartigen Beobachtungs­methode eine umfangreiche Flugzeug­kampagne durchführen, die HALO-(AC)³-Kampagne.“

Drei deutsche Forschungsflugzeuge werden für die Messungen eingesetzt: Zum einen ist dies HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft), ein modernes Forschungsflugzeug, welches vom DLR betrieben wird. „HALO wird in größeren Höhen als Fern­erkundungs­plattform operieren, denn es ist in der Lage, in Höhen von bis zu 15 Kilometern lange Strecken von bis zu 10.000 Kilometern zurück­zulegen“, erklärt Andreas Minikin von der DLR-Einrichtung Flugexperimente. Zum anderen werden, in Kombination mit HALO, die zwei Polar­flugzeuge Polar 5 und Polar 6 in geringeren Höhen die Luftmassen detailliert vermessen. Die beiden Polar­flugzeuge kommen unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeres­forschung (AWI) bereits seit mehr als zehn Jahren in der Arktis zum Einsatz. Ergänzend zu HALO messen die Polarflugzeuge in einem Höhenbereich unterhalb von sechs Kilometern und können dabei Strecken von 1.500 bis 2.000 Kilometern zurücklegen. Andreas Herber, Wissenschaftler am AWI und Koordinator von Polar 5 und Polar 6, ergänzt: „Die Reichweite der Polarflugzeuge ist zwar geringer, aber ein wesentlicher Vorteil dieser Forschungsflieger besteht darin, dass sie langsam und tief fliegen können und damit eine Momentaufnahme von ganz speziellen Prozessen in, unter und über Wolken beziehungsweise in der planetaren Grenz­schicht messtechnisch erfassen können.“

Die Flugzeuge sind mit hochmodernen Instrumenten ausgestattet, mit denen die gesamte Atmosphäre vom Boden bis in zehn Kilometern Höhe charakterisiert werden kann. Zu den wichtigsten Messparametern zählen Wolken­eigenschaften, Temperatur- und Feuchtigkeits­profile, Energieflüsse und Eigenschaften von Aerosol­partikeln und Spurengasen. Susanne Crewell, Atmosphären­forscherin an der Universität zu Köln, erläutert: „Durch die Koordinierung der Flugmuster der drei Flugzeuge können wir die Luftmassen bei ihrer räumlichen und zeitlichen Entwicklung verfolgen. Die Messungen ermöglichen es, feinste Wolken­strukturen bis hin zu einzelnen Wolken­partikeln näher zu betrachten und den Einfluss des Arktischen Meereises auf die Wolken­eigenschaften zu erforschen. Die Kombination der verschiedenen Messungen ermöglicht es uns, ein nahezu vollständiges Bild der untersuchten Luftmasse zu erhalten.“ Wichtige Helfer hierbei sind die Dropsonden, die von den Flugzeugen abgeworfen werden und an kleinen Fallschirmen zu Boden gleiten. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre liefern sie Messungen von Temperatur, Luftdruck und Feuchte.

Parallel zu den Flugzeugmessungen erfolgen Profilmessungen mit einem Fesselballon an der AWIPEV-Forschungs­station des AWI nahe Ny-Ålesund auf Spitzbergen durch das Leibniz-Institut für Troposphären­forschung (TROPOS) und die Universität Leipzig. Dabei werden neben meteorologischen Parametern auch kleinskalige Austausch­prozesse, die Strahlung sowie Aerosol­parameter vom Boden bis in ein Kilometer Höhe untersucht. Diese Messungen wurden erstmals im Herbst 2021 beim Übergang in die Polarnacht durchgeführt und werden nun beim Übergang in den Polartag wiederholt, um kontinuierliche Bodenmessungen mit den Flugzeug­messungen zu verknüpfen. Messungen mit bodengestützten Fernerkundungs­instrumenten an der AWIPEV-Forschungs­station sowie neueste Satelliten-Fern­erkundungs­methoden und modernste numerische Klima­modelle werden den umfangreichen Datensatz der HALO-(AC)³-Kampagne außerdem vervollständigen.

Ein Team des Oberpfaffen­hofener DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre ist mit einem umfangreichen Satz an Instrumenten zur Bestimmung von Wolken­eigenschaften auf der Polar 6 in Spitzbergen beteiligt. Zudem betreibt das DLR ein Lidar und gemeinsam mit anderen Partnern ein Wolkenradar auf HALO. „Im Fokus der Messungen steht vor allem der erhöhte Feuchteeintrag in die Arktis durch den verstärkten Luftmassen­austausch mit den mittleren Breiten und daraus folgende Änderungen in der Atmosphäre; speziell von Wolkeneigenschaften“, erklärt DLR-Atmosphären­forscherin Silke Groß. Mit der Polar 6 werden zudem speziell die unterschiedlichen Wolken­eigenschaften über Meereis und dem offenen Ozean untersucht.

DLR / DE

Weitere Infos

• Instituts für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Oberpfaffenhofen