Wolken: Eines der großen Rätsel der Klimawissenschaften

Wolken sind ein wesentlicher Klimafaktor. In Klimamodellen zeigt sich, dass gerade die tiefliegenden Wolken in den Passatwindregionen auf die globale Erwärmung besonders stark reagieren und auf diese Weise zukünftige Klimaentwicklungen beeinflussen. Um die Reaktion der Wolken und der atmosphärischen Konvektion auf Temperaturänderungen zu überprüfen, brauchen die Forschenden insbesondere Beobachtungsdaten über die Dynamik der atmosphärischen und ozeanischen Bedingungen, in denen die Wolken entstehen und vergehen. Die Feldstudie EUREC⁴A wird dazu sehr detailliert den Lebenszyklus der Wolken in der Passatregion studieren und so ein vollständiges Bild der atmosphärischen und ozeanischen Prozesse erhalten.

Die Messkampagne findet östlich und südlich der Karibikinsel Barbados statt. Es werden fünf Forschungsflugzeuge und vier Forschungsschiffe eingesetzt, die mit einer Bodenmessstation, dem Barbados-Wolken-Observatorium, einer großen Anzahl von autonomen Messrobotern in Luft und Wasser und Satellitenfernerkundungsmethoden kombiniert werden. Die Gesamtkoordination von EUREC⁴A, an der sich mehr als 40 Partnerinstitutionen beteiligen, wird von Prof. Bjorn Stevens, Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg, und Dr. Sandrine Bony, Laboratoire de Météorologie Dynamique, Paris, durchgeführt. Ihre Initiative baut auf einer jahrzehntelangen Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Barbados am Caribbean Institute for Meteorology and Hydrology (CIMH) unter der Leitung von Dr. David Farrell auf und erweitert diese.

Das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel beteiligt sich intensiv an der Kampagne und leitet die Schiffsexpedition MSM89 mit dem deutschen Forschungsschiff MARIA S. MERIAN. Die Forschungsschiffe dienen dazu, gleichzeitige Messungen in Atmosphäre und Ozean durchzuführen. Mit Radar- und Lidar (Laser Radar)-Geräten sowie Radiosonden wird kontinuierlich die Atmosphäre „von unten“ vermessen. Wolkenhöhen und Wolkenzusammensatzung, Winde und Aerosole werden registriert. Ein speziell entwickelter Ballon-Drachen („Max Planck CloudKite“), der hinter der MERIAN hergezogen wird, taucht in die Wolken ein und erfasst mit Holographie-Techniken die extrem kleinräumige Bewegung von einzelnen Tropfen, die eine Wolken formen. Von den Schiffen werden Sonden ins Wasser gebracht, die Temperatur, Salzgehalt und Strömungen messen. Aber auch die Aktivität von Mikroorganismen, das Pflanzenwachstum und die Kohlendioxidaufnahme des Ozeans werden erfasst. „Die räumlichen Veränderlichkeiten an der Meeresoberfläche sind wichtige Randbedingungen für die Entwicklung der darüber liegenden Atmosphäre und damit auch für die Wolkenbildung“, sagt Dr. Johannes Karstensen vom GEOMAR, Fahrtleiter auf der MARIA S. MERIAN. „Insbesondere in großen Wirbeln und an Frontalzonen wollen wir die Kopplung von ozeanischen und atmosphärischen Prozessen verstehen und so für die Modellsimulation besser darstellbar machen“. Die Kampagne auf der MARIA S. MERIAN profitiert insbesondere von der zentrenübergreifenden Helmholtz-Aktivität „Modular Observation Solutions for Earth Systems“ (MOSES), die als einen Schwerpunkt die Beobachtung von Extremen in ozeanischen Wirbeln setzt. In einem Blog (www.oceanblogs.org/msm89) werden die Forscherinnen und Forscher von Bord der MSM über ihre Arbeiten während der Kampagne berichten.  

Von deutscher Seite sind an der EUREC⁴A-Kampagne vier Max-Planck-Institute (MPI-M, MPI für Dynamik und Selbstorganisation, MPI für Chemie und MPI für Marine Mikrobiologie) sowie fünf Universitäten (Hamburg, Hohenheim, Köln, Leipzig und München), drei Helmholtz-Einrichtungen (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), GEOMAR und Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung), das Leibniz-Institut TROPOS und der Deutsche Wetterdienst beteiligt.

Gefördert und unterstützt wird die EUREC⁴A-Kampagne durch das European Research Council (ERC), die Max-Planck-Gesellschaft (MPG), das Centre National de Recherche Scientific (CNRS), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das Carribean Institute for Meteorology and Hydrology (CIMH), das Natural Environment Research Council (NERC) und das Weltklimaforschungsprogramm (WCRP).

Bildmaterial in höherer Auflösung:

Die MARIA S. MERIAN im Hafen von Bridgetown. Von hier aus startet die EUREC4A-Kampagne. Foto: Johannes Karstensen/GEOMAR

Neben der MARIA S. MERIAN (vorne) ist auch das deutsche Forschungsschiff METEOR (hinten) an der Expedition beteiligt. Das Foto zeigt beide während eines Treffens im Dezember 2019. Foto: Patrick Leibold/GEOMAR

Schaubild der geplanten, flugzeuggestützten und schiffsbasierten Messungen während EUREC4A. Die Flugabschnitte auf niedriger Höhe werden die Wolkenbedingungen kartografieren und den Massehaushalt der Luftschicht unterhalb der Wolken bestimmen. Die Kreisflüge werden die großräumigen Bedingungen mit Sonden dokumentieren und das darunterliegende Wolkenfeld per Fernerkundung erfassen. Die schiffsbasierte Oberflächenfernerkundung wird die Flugzeugmessungen ergänzen und auch In-situ-Messungen mit Hilfe von Sensoren, die an Ballondrachen befestigt sind, unterstützen. Damit wird EUREC4A die bisher größte Untersuchung der niedrigen Wolken und ihrer Wechselwirkungen mit der Atmosphären- und Ozeanumgebung sein. Grafik: MPI-M