Kleine Turbulenz

Tröpfchenweise Wolken! Ist das noch Wasser oder schon Luft? Woher kommen, wohin gehen die? Ein Leipziger Labor erforscht es
Kleine Turbulenz

Collage: der Freitag; Material: Kokoroyuki/iStock, Getty

Der Pförtner leitet zielgenau über den Wissenschaftspark im Leipziger Norden. Der Weg führt vorbei an einem dreigeschossigen Klinkerbau, einem Stickstofftank, einer Garagenfront. Ein imposanter silberner Zylinder schießt aus einem gläsernen Flachbau hervor. „Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator“ (LACIS) heißt das Teil offiziell. Willkommen im Wolkenlabor in Leipzig, dem weltweit einzigen dieser Art, das erforscht, was Kumulus, Stratus und Zirrus zusammenhält.

Den Eingang zum Wolkenlabor öffnet der Chef selbst, ein lässiger Mittfünfziger: Karohemd, Dreitagebart, kräftiger Handschlag. „Frank Stratmann“, stellt er sich mit leicht westfälischem Zungenschlag vor. Der Mann hat Maschinenbau studiert, ist promovierter Elektrotechniker und Abteilungsleiter am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS). Hier erzeugen Stratmann und seine Kollegen Wolken im Reagenzglas.

Wie sie in der Natur entstehen, erklärt Stratmann so: Wolken sind eine Zusammenballung von Wassertröpfchen. Aufgrund der Erwärmung der Erdoberfläche steigt Wasserdampf aus Gewässern und Wäldern auf und kondensiert, sobald er die kühleren Luftschichten in der Höhe erreicht. Die nun flüssigen Wasserteilchen lagern sich an Staubpartikeln ab und gefrieren. Zusammen bilden sie eine Wolke. Wird sie zu schwer, regnet sie sich ab.

Im Labor wird dieser Prozess simuliert: Durch ein mit grauem Schaumstoff ummanteltes Rohr zieht sich eine künstliche, sieben Meter lange Wolke. Ihr Durchmesser beträgt gerade einmal zwei Millimeter.„Wohl die kleinste Wolke der Welt“, sagt Stratmann. In der Natur könnten Wolken Hunderte Meter lang werden. Er und sein Team wollen die Wechselwirkung von verschiedenen Partikeln mit Wolken besser verstehen. Wolken verändern sich rasch, sie sind daher in Computermodellen schwierig abzubilden. Sie spielen eine Rolle im Klimasystem, sie eigenen sich für Wetterberichte und für Prognosen zur Klimaveränderung. Daher müsse man zuerst wissen, wie genau die Partikel an der Wolkenbildung beteiligt sind und ob unerschiedliche Teilchen zu unterschiedlichen Wolken führen.

Permanentes Umwälzen

Grundlagenarbeit, die jetzt abgeschlossen ist, sagt Stratmann: „Wir haben die Bildung von Wolken so weit verstanden, dass wir im Labor den nächsten Schritt gehen können.“ Die Wolkensimulation soll nun der Realität näher kommen. Wolken sind turbulent, das System lebt mit permanenten Umwälzungen, sichtbar wird das bei jenen Kumulusformen, die man umgangssprachlich Blumenkohlwolke nennt und die wohl jeder aus dem Bilderbuch kennt. „Wenn Sie mit dem Flugzeug durch Wolken fliegen, werden sie durchgeschüttelt, das sind die Turbulenzen. Und wir untersuchen nun Wolkenprozesse unter turbulenten Bedingungen genauer.“ Dafür steckt Stratmann seine künstlichen Wolken in den Windkanal.

Wolken regen die Fantasie an, sie waren auch immer wieder Versuchen der Manipulation ausgesetzt. So wurden den von Donner und Blitz begleiteten Gestalten überirdische Kräfte zugeschrieben. In der Bibel offenbart sich Gottes Gegenwart mehrfach in einer Wolke.

Vor Jahrhunderten schon schoss man aus Aberglaube mit Flinten in Wolken, um Regen abzuwenden. Später glaubte man an die physikalische Wirksamkeit dieses Wetterschießens durch verschiedene Explosivstoffe. Im Kalten Krieg versuchten beide Seiten mit Wolkenimpfungen das Wetter für sich günstig zu beeinflussen. Wolken sind Naturphänomene, mit denen man Aussagen über die Atmosphäre und Wetterentwicklung treffen kann. Sie sind bedeutende Bestandteile des Klimasystems, mit ihnen kann man dessen Zukunft voraussagen. Denn sie reflektieren Sonnenstrahlen und haben Einfluss auf den Strahlungs- und damit Energiehaushalt der Atmosphäre.

Wetterkunde hat in Leipzig Tradition. Als Verlagsstadt war es Zentrum der Kalendererstellung, da wurden Bauernregeln für das Säen und Ernten je nach Monatsverlauf verkündet. Das weltweit erste Lehrbuch zur Wetterkunde erschien hier 1507, 300 Jahre später wurden die ersten Wetterkarten der Welt gefertigt. Die Gründung der Internationalen Meteorologischen Organisation wurde 1872 in Leipzig angeregt, dann entstand am Flughafen die erste deutsche Wetterstation.

Mit mehr als 100 Jahren ist das Uni-Institut für Meteorologie die älteste wissenschaftliche Einrichtung in Deutschland, die die Physik der Atmosphäre erforscht. Seit 1992 residiert nun das TROPOS-Institut auf dem Forschungsparkgelände im Norden der Stadt.

Stratmann führt zum Windkanal im Wolkenturm. Der gesamte Flachbau ist um den 16 Meter hohen Turm in der Mitte errichtet, der den Wolkensimulator mit Windkanal beherbergt. Aus Sichtbeton besteht die Hülle im Innern. Das Zylinderinnere mutet wie ein Baukasten an. Metallleisten und Lochbleche stehen herum. Ein Sammelsurium von Steckdosen, Aufbauflächen, Kabeln und Rohren, das sich unter Stratmanns Erklärungen als komplexer Apparat entpuppt. An definierten Partikeln von einer Größe zwischen 200 bis 600 Nanometern – dünner als ein menschliches Haar – bilden sich durch Kondensation von Wasserdampf Wolkentröpfen. „Das ist, als würde Ihr Badspiegel beschlagen“, sagt Stratmann. Und diese Wolkentröpfchen werden dann durcheinandergewirbelt.

Der Windkanal füllt den gesamten Turm aus, es ist ein geschlossenes Rohrsystem mit aufwendigen Nebensystemen. Über leise schwingendes Riffelblech steuert Stratmann auf eine Treppe zu. Er führt über mehrere Etagen mit Gitterböden und mit ebenso transparenten Leitertreppen hinauf zu seiner Wolke. „Hier erzeugen wir die bestkontrollierteste turbulente Wolke der Welt“, erklärt er stolz.

Tropfenaktivierung

Im Apparat wird permanent Luft durchgepumpt, deren Wassergehalt und Temperatur durch Befeuchter und Wärmetauscher eingestellt werden. Pro Minute strömen 10.000 Liter Luft die Anlage. Die Temperatur liegt zwischen plus 20 und arktischen minus 40 Grad.

Stratmann weist auf die horizontale Hauptröhre des Leitungssystems. „Wenn Sie hier hineinschauen, dann sehen Sie in der Mitte eine Schneide mit kleinem Schlitz. Da kommen die Aerosolpartikel hinein. Dann haben wir zwei Stränge, durch die Luft umgepumpt wird. Die haben unterschiedliche Temperaturen und werden an der Schneide zusammengeführt, wobei zwei Gitter die zum Mischen erforderlichen Wirbel erzeugen. Dann bringen wir noch die feuchten Partikel ein, und so entstehen Laborwolken unter turbulenten Strömungsbedingungen.“

Die gebildete Wolke breitet sich dann schleierartig aus. „Wir können die Prozesse Turbulenz, Wolkentropfenaktivierung und Eisbildung in Wolken vollständig untersuchen.“ Auf einer zwei Meter langen verglasten Messstrecke am Rohr ermöglichen Stecksysteme und transparente Öffnungen den Einsatz verschiedenster Messgeräte: Holografische Messtechnik erfasst die dreidimensionale räumliche Verteilung und die Größe der Partikel. Ports sind für Temperatur- und Geschwindigkeitsfühler vorgesehen. Unterhalb der Messstrecke zieht ein Trockner die Feuchtigkeit heraus. Die trockene Luft wird dann wieder nach oben in den Windkanal transportiert. Der Wolkenkreislauf schließt sich.

Stratmanns Grundlagenforschung liefert Daten, um Klimamodelle zu füttern. Um den Klimawandel zu verstehen, geht das Institut außerhalb des Labors auf Feldforschung. Im März diesen Jahres war Stratmann auf einer Forschungsstation der Universität Aarhus in Grönland. „Bei Minus 32 Grad Messgeräte im Flugzeug zu betreuen, das war schon sportlich“, sagt er. Die Arktis ist für die Klimaforschung deshalb interessant, weil die beobachtete globale Erwärmung dort besonders stark auftritt. Anschließend werden die erfolgten Messungen mit den Daten der selbst erzeugten Wolken in Leipzig verglichen.

Mittel- bis langfristig werden die gewonnenen Erkenntnisse auch die Wettervorhersage präzisieren, etwa zur Wahrscheinlichkeit und Menge von Niederschlag. Die Vorhersagemodelle sind hochkomplexe mathematische Gleichungen mit mehreren Unbekannten, in den letzten 30 Jahren wurden die Prognosen immer genauer – dank Computertechnologien und komplexerer Modelle. Hier helfen die Erkenntnisse aus dem Leipziger Wolkenlabor.

Stratmann sagt, es überrasche ihn noch immer, wenn er beim Mittagessen in der Sonne sitze und zehn Kilometer entfernt schütte und hagele es.

06:00 22.12.2018
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