Eine der großen Fragen, die uns motiviert hat, in diese faszinierende und doch gleichzeitig so unwirtliche und abgeschiedene Region der Welt zu fahren ist, warum sich die Arktis aufgrund des menschengemachten Klimawandels so viel schneller erwärmt als der Rest der Welt. Diese Erwärmung wird natürlich davon beeinflusst, wie viel Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche ankommt und wie viel der von der Erde ausgehenden Wärmestrahlung in der Atmosphäre zurückgestrahlt wird. Beide Faktoren hängen zum gewissen Teil davon ab, wie viel Aerosol sich in der Atmosphäre befindet, aber vor allem auch vom Wolkenbedeckungsgrad. Wie sich am Beispiel der Sonnenstrahlung leicht feststellen lässt, wenn der Himmel tagsüber bewölkt ist. Und die mikrophysikalischen Eigenschaften der Wolke schlussendlich hängen unter anderem wieder von der Verfügbarkeit und Art der Aerosole in der Atmosphäre ab. Sie beeinflussen die Phase in der sich das Wasser in den Wolken befindet oder die Menge und Größe der Wassertröpfchen und Eiskristalle. Daher sind genaue Messungen von Aerosolen und Wolken beispielsweise essentielle Bestandteile der Evaluierung von Vorhersagemodellen für Klima und Wetter. Aber auch für das Verständnis von den Prozessen, die die Erderwärmung steuern sind sie grundlegend.
Aber wie ist es eigentlich möglich, vom aus Schiff zu bestimmen, in welchem Zustand das Wasser in den Wolken ist? Und wo sich welche Menge an Wassertröpfchen, Eiskristalle oder Aerosolen befindet und wie groß diese sind? Dafür hat das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung TROPOS aus Leipzig ein Lidar, ein Mikrowellenradiometer und ein Wolkenradar an Bord der Polarsternfahrt PS106 gebracht. Mithilfe dieser drei Messinstrumente lassen sich Wolken und Aerosole charakterisieren und ihre optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften bestimmen.
Alle drei Messinstrumente basieren auf der Messung elektromagnetischer Strahlung. Während das Lidar und das Wolkenradar als aktive Messinstrumente selber Strahlung emittieren, misst das Mikrowellen-Radiometer die thermische Ausstrahlung der Atmosphäre. Das Wolkenradar (Radar = Radio detection and ranging) sendet bei einer Frequenz von 35 GHz, was einer Wellenlänge von etwa einem Zentimeter entspricht. Mit dieser relativ großen Wellenlänge ist es möglich, Tröpfchen und Eiskristalle in den Wolken zu detektieren. Das Lidar (kurz für light detection and ranging) verwendet einen Laser und sendet Strahlung größtenteils im sichtbaren Bereich aus. Mit Wellenlängen zwischen 355 und 1064 nm lassen sich die kleinen Aerosolpartikel bestimmen. Und wenn es dunkel genug ist, ist es sogar möglich den Laserstrahl zu sehen.
Aber dunkel wird es hier nicht mehr. Wir sind mittlerweile so weit im Norden, dass die Sonne nicht mal mehr näher als 10° an den Horizont heran kommt, bevor sie wieder ‚aufgeht‘. Das heißt, es ist jederzeit taghell. Trotzdem geht die Fernerkundung weiter. Das Wolkenradar und das Lidar senden dafür einen extrem kurzen Puls an elektromagnetischer Strahlung in ihrer jeweiligen Wellenlänge aus und messen danach wieviel dieser Strahlung nach welcher Zeit zurück reflektiert wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass je mehr der Strahlung reflektiert wird desto mehr Aerosol, oder Eis, oder Wasser befinden sich in der Atmosphäre über dem Messgerät. Mithilfe der Lichtgeschwindigkeit und der Zeit zwischen Aussenden und Messen des Signals lässt sich bestimmen, in welcher Höhe sich die Partikel befinden.
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Und die Form der Partikel lässt sich aus der Depolarisation der zurückgestreuten Strahlung ableiten. Beim Aussenden ‚schwingt die Strahlung‘ in einer definierten Polarisationsebene. Trifft sie nun auf Eiskristalle oder Aerosolpartikel, die nicht rund sind, so wird ein signifikanter Teil der Strahlung bei der Rückstreuung depolarisiert. Bei sphärischen Partikeln andererseits ist dieser Anteil viel geringer. So lassen sich mithilfe des gemessenen depolarisierten Signals Rückschlüsse auf die Form der Partikel ziehen.
Andreas Macke