ETH-Forschende fliegen mit Wetterdrohnen von Meteomatics in die Wolken

Wolken sind zentrale Elemente, welche das Klima auf der Erde regulieren. Das Verständnis der Mikrophysik von Wolken ist daher von entscheidender Bedeutung für präzise Wetterprognosen und Klimaprojektionen. In diesem Artikel erklären wir, wie ETH-Forschende die Wetterdrohnen von Meteomatics - die sogenannten "Meteodrohnen" - einsetzen, um mit Hilfe von Cloud Seeding Experimenten die Wechselwirkungen zwischen Wolken und Aerosolen sowie Niederschlagsereignisse zu untersuchen.

Der Zusammenhang zwischen Wolken und Klimawandel

Das Verstehen von Wolken ist für ein umfassendes Verständnis des Klimas auf unserem Planeten unerlässlich, da sie den Wasserkreislauf und die Temperatur auf der Erde direkt regulieren. Während einige Arten von Wolken Wärme einfangen, indem sie Energie an die Erdoberfläche zurückwerfen, reflektieren andere das Sonnenlicht und kühlen die Oberfläche ab. Da sie die Niederschläge und die Sonnenstunden bestimmen, wirken sich Wolken auf viele Wirtschaftszweige aus, insbesondere auf solche, die von einer ausgewogenen Menge an Wasser und Sonnenlicht abhängig sind, wie zum Beispiel die Landwirtschaft und erneuerbare Energien.

Folglich ist das Verständnis der Wolkenbildung und -entwicklung nicht nur für eine bessere kurzfristige, sondern auch für eine langfristige Vorhersage von grosser Bedeutung, insbesondere in einem sich ändernden Klima.

In der Tat stellen Wolken und die Wechselwirkungen zwischen Wolken und Aerosolen wichtige Quellen für Unsicherheiten bei Wetterprognosen und Klimaprojektionen dar.

Wie werden sich bspw. die Wolken in einem sich erwärmenden Klima verändern? Welchen Einfluss haben die Wolken auf den Strahlungshaushalt der Erde? Die Antworten auf diese Fragen werden dazu beitragen, Industriezweige und die Lebensräume zahlreicher Menschen in der Zukunft besser zu schützen und auf den bevorstehenden Klimawandel besser vorzubereiten.

Als eine der besten Universitäten der Welt unterstützt die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) intensiv WissenschaftlerInnen, die in der Klimaforschung tätig sind.

Am Institut für Atmosphären- und Klimaforschung leitet Professorin Ulrike Lohmann die Forschungsgruppe Atmospheric Physics group die darauf abzielt, die Fähigkeiten zur Vorhersage von Wetter und Klima zu verbessern, indem die Entstehung und Entwicklung von Wolken, insbesondere die Wechselwirkungen zwischen Wolken und Aerosolen, untersucht wird.

Eines der Projekte dieser Gruppe heisst CLOUDLAB, welches sich der Verbesserung des Verständnisses mikrophysikalischer Wolkenprozesse und der Niederschlagsbildung widmet, um Niederschlagsereignisse besser simulieren und vorhersagen zu können.

Das Team führt “Wolkenimpfungs-Experimente” in Stratuswolken durch (im Winter), um die Bildung und das Wachstum von Eiskristallen zu untersuchen, die zu Niederschlägen führen. Dies geschieht mit Hilfe von mehrdimensionalen Beobachtungen und numerischen Modellen.

“Cloud Seeding” mit Drohnen von Meteomatics

Anna Miller, Doktorandin und Mitglied des CLOUDLAB-Teams, erläutert im folgenden, wie sich der Prozess der Datenerfassung in der Gruppe für Atmosphärenphysik im Laufe der Jahre in Bezug auf die Flexibilität bei der Messung von Partikeln, Wind und Aerosolkonzentration entwickelt hat.

Sie begannen mit bodengestützten Messungen von ungestörten Wolken (d. h. Wolken, die nicht durch menschliche Aktivitäten verändert wurden) am Observatorium auf einem Berggipfel, aber diese Messungen wurden durch den Boden und Schneeverwehungen stark beeinflusst.

Dann ging das Team zu Messungen an einer Seilbahn über, die den Einfluss des Bodens verringerte und eine gewisse vertikale Struktur bot. Danach folgten Messungen an Fesselballons, die eine größere vertikale Struktur und mehr Möglichkeiten für verschiedene Messorte boten.

Schliesslich entschieden sich die ETH-Forschenden für die Wetterdrohnen von Meteomatics. Mit den Meteodrohnen konnte die Forschung einen entscheidenden Schritt nach vorne machen.

Die Drohnen ermöglichten flexiblere Messpfade mit integrierten atmosphärischen Messsensoren.

Vor allem aber boten sie dem Team die Möglichkeit, gezielte Cloud-Seeding-Experimente durchzuführen.

Dr. Lukas Hammerschmidt, Chief Drone Officer von Meteomatics, sagt: "Unsere Meteodrohne ist die einzige Drohne der Welt, die überhaupt für Cloud Seeding in Frage kommt".

Da unsere Meteodrohnen bis zu 6 km hoch fliegen, wurden sie so konstruiert, dass sie sehr niedrigen Temperaturen und hohen Windgeschwindigkeiten standhalten. Dank unseres Propellerheizsystems können Meteodrohnen in unterkühlte Wolken fliegen, ohne dass die Rotorblätter vereisen. Dies ist für ein erfolgreiches Cloud Seeding unerlässlich, denn das Seeding funktioniert nur in Wolken mit Temperaturen unter -5 °C.

Mit der Drohne können die Wissenschaftler genau steuern, wo die Partikel in die Wolke injiziert werden. So können die nachgeschalteten Eiskristalle direkt gemessen werden, um so mit einem Fesselballon Rückschlüsse auf die Eiskristallwachstumsraten zu ziehen.

Miller: "Gezieltes Cloud Seeding mit Hilfe einer Drohne ermöglicht es uns, die Bedingungen für Wolken auf eine bekannte und spezifische Weise zu verändern, so dass wir die damit verbundenen mikrophysikalischen Veränderungen mit einem umfangreichen Instrumentarium beobachten können. Dies unterscheidet sich von der ausschließlichen Beobachtung und Messung von ungestörten Wolken. Insbesondere die Messung des Eiskristallwachstums in einer Wolke wird möglich, wenn wir zunächst absichtlich Eiskristalle erzeugen können."

Meteomatics entwickelte eine massgeschneiderte Lösung für das CLOUDLAB

Die spezifischen Flugaufgaben von CLOUDLAB erforderten eine massgeschneiderte Lösung. Das Team bat uns um zwei MM-670 ML Meteodrohnen, die an ihre besonderen Bedürfnisse für die Forschung angepasst werden sollten. Und genau das haben unsere Ingenieure dann umgesetzt.

Die erste Drohne war mit Leuchtraketen ausgestattet, die während des Fluges für das Cloud Seeding genutzt werden. Die zweite mit einem optischen Partikelzähler zur Messung von Aerosolpartikeln während des Flugs.

Wie Miller erklärt, sind die beiden Meteodrohnen ein wesentlicher Bestandteil ihrer Forschung im CLOUDLAB:

"Wir verwenden die Seeding-Drohne für Experimente innerhalb und außerhalb der Wolke. Bei diesen Experimenten fliegt die Drohne auf eine bestimmte Höhe und die angebrachten Fackeln werden gezündet, wodurch Silberjodidpartikel in der Luft freigesetzt werden. Wenn sie sich in der Wolke befindet, überwachen wir die damit verbundenen mikrophysikalischen Veränderungen mithilfe mehrerer Wolkenradare und mittels unseres Fesselballonsystems. Wir brennen die Fackeln auch außerhalb der Wolke ab, so dass wir die Aerosolfahne sehen können, um die Ausbreitung der Fahne mit unserer zweiten Drohne, der Messdrohne (oder POPS-Drohne, denn POPS ist der optische Partikelzähler), zu messen und zu charakterisieren. Wir verwenden die POPS-Drohne auch zur Erstellung von Vertikalprofilen zur Messung von Temperatur, Feuchtigkeit, Wind und Aerosolkonzentration. Dies hilft uns, die aktuellen atmosphärischen Bedingungen zu messen, die wir für unsere Experimente benötigen."

Nicht nur die Hardware wurde angepasst, sondern auch die Software. Unser Drohnensoftware-Entwicklungsteam passte die Benutzeroberfläche an, um dem CLOUDLAB-Team die Konfiguration ihrer Flugmissionen zu erleichtern, und integrierte zusätzlich noch eine graphische live Anzeige der Partikelzahlen und -verteilungen.

Zusätzlich zu den Drohnen erhielt das CLOUDLAB-Team eine ganztägige Schulung für den Betrieb der Drohnen, die Flugübungen, Luftraumbestimmungen und Checklisten vor dem Flug umfasste, um sicherzustellen, dass sie die Drohnen sicher bedienen konnten. Wir stehen in regelmäßigem Kontakt mit dem CLOUDLAB, um die Systeme für ihre neuen Aufgaben zu verbessern, und bieten Unterstützung auf Abruf und Wartung der Drohnen.

Von Wissenschaftlern für Wissenschaftler

Auf der Suche nach mehr Wissen über Wolken und Niederschlagsereignisse lassen ETH-Forschende Wetterdrohnen von Meteomatics in die Wolken fliegen. Ausgestattet mit brennenden Fackeln und einem optischen Partikelzähler können unsere Drohnen Experimente zum Cloud Seeding durchführen und die Wechselwirkungen zwischen Wolken und Aerosolen untersuchen.

Als Unternehmen, das unter anderem aus Klimawissenschaftlern, Meteorologen und Ingenieuren besteht, von denen viele eine akademische Laufbahn eingeschlagen haben - darunter auch einige ETH-Absolventen - fühlen wir uns diesem Projekt besonders verbunden.

Letztlich sind wir von demselben Ziel angetrieben: das Wetter zu verstehen.

Wir freuen uns daher, mit dem CLOUDLAB-Team zusammenzuarbeiten, um das Verständnis der Wolkenmikrophysik zu verbessern. Dadurch werden zukünftig verbesserte Niederschlagsvorhersagen erreicht, die uns helfen werden, die Herausforderungen der Klimaerwärmung besser zu bewältigen.

Um mehr über unsere Wetterdrohnen zu erfahren, klicken Sie auf den unten stehenden Link.