Auf und davon: die Benutzung von Flugzeugen für atmosphärische Beobachtungen Understand article

Übersetzt von Daniel Busch. Bei chemischen Messungen in der Atmosphäre ist es hilfreich, mit speziell umgebauten Laboratorien hinaufzufliegen.

Gegenstand der Messungen
Mit freundlicher Genehmigung
von Tom Harrison

Hoch über unseren Köpfen durchkreuzen Flugzeuge den Himmel – voller Familien auf dem Weg in die Ferien, Pakete die geliefert werden und Kollegen die zu Business-Meetings reisen. Für einige Reisende ist ihr Reiseziel jedoch unmittelbar um sie herum. Viele Wissenschaftler, die in Klimabeobachtungen involviert sind, können ihre Forschungen nur weit oben in der Luft durchführen.

Der Bereich zwischen dem Erdboden und etwa 10 Kilometern Höhe wird von einer Luftschicht gebildet, die als Troposphäre bekannt ist. Darüber befindet sich eine weitere Schicht, die Stratosphäre. An der Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre, hört die Luft auf sich abzukühlen, während sie aufsteigt und verliert dabei ihr Wasser. Kurz gesagt ist dies der Bereich in dem Wolken gebildet werden und wo sich das Wetter zu bilden beginnt, das wir erleben. Der Blick aus einem Flugzeugfenster kann einen wunderschönen Blick auf die Wolken gewähren, aber er sagt wenig über die chemischen Reaktionen aus, die stattfinden oder wie diese die Luftqualität und das Klima beeinflussen können. Dafür benötigt man ein wenig mehr Technik.

Ein Labor der Lüfte

Wissenschaftler und
Instrumente an Bord des
Labors

Mit freundlicher Genehmigung
von Tom Harrison

Die Einrichtung für luftgestützte atmosphärische Messungen (Facility for Airborne Atmospheric Measurements, FAAM)w1, ist beispielsweise ein mobiles Labor in einem Flugzeug des Typs Bae-146, das normalerweise als kleine Passagiermaschine genutzt wird. An Bord der FAAM gibt es nur wenig Luxus und keine Flugbegleiter, die einem Getränke und Erfrischungen anbieten. Tatsächlich ist an Bord nur Platz für zehn Wissenschaftler pro Flug. Der Rest der Kabine ist mit verschiedene Ausrüstungsgegenständen ausgefüllt. Jedes Gestell für ein Instrument nimmt den Raum von zwei Passagiersitzen ein und alle Instrumente müssen hohen elektronischen und strukturellen Sicherheitsansprüchen genügen.

Aktuell auf der abgelegenen tropischen Insel Guam stationiert, nimmt FAAM an einer internationalen Messkampagne teil, in der noch zwei weitere Flugzeuge involviert sind – die koordinierten, luftgestützten Untersuchungen in den Tropen, kurz CAST (Co-Ordinated Airbourne Studies in the Tropics). Dies ist der erste kooperative Ansatz die atmosphärische Zusammensetzung in der Region südlich von Guam am Boden, in der Troposphäre und bis hinauf in die Stratosphäre zu messen, wobei jedes Flugzeug die Messungen auf einer anderen Höhe durchführt. Die Wissenschaftler hoffen, ihr Wissen über die tropische Atmosphäre zu verbessern und zu lernen, wie Gase von der Oberfläche zur Stratosphäre aufsteigen.

Guam liegt im westlichen
Pazifik

Mit freundlicher Genehmigung
von TUBS/Wikimedia Commons

Während FAAM über den Westpazifik fliegt, sammelt das Equipment an Bord Proben von der umgebenden Luft außerhalb des Flugzeugs. Diese kommen von Lufteinlässen auf der gesamten Oberfläche des Flugzeugrumpfes, sogar von den Flügeln. Jeder Teil der Ausrüstung misst etwas anderes oder verwendet eine etwas andere Methode, aber zusammen bestimmen sie quantitativ den Einfluss der sehr kurzlebigen (VSL) Halogenkohlenwasserstoffe und wie diese die komplexe atmosphärische Chemie verändern, die uns alle betrifft.

Diese Verbindungen, z.B. CH3I, CH2Br2 und CH3Br, werden aus dem Ozean freigesetzt und steigen in die Troposphäre und Stratosphäre auf, wo sie durch Licht zersetzt werden und dabei reaktive halogene Radikale bilden. Einige dieser Radikale reagieren mit Ozon, was zu dessen Abbau führt, andere wiederum reagieren mit anderen Spurengasen. Die atmosphärische Chemie ist sehr komplex.

Messung von Molekülen

Die meisten von uns kennen die Messinstrumente für Luftqualität am Straßenrand in unseren Städten. Diese Ausrüstung misst Gase , die sie passieren, liefert jedoch keine Informationen darüber, was in der Schadstofffahne in Windrichtung passiert. Im Gegensatz dazu können Satelliten benutzt werden um die Atmosphäre zu überwachen und liefern eine weiträumige Erfassung, allerdings sammeln sie Daten der gesamten Luftsäule. Um das Profil einer bestimmten Höhenlage zu erhalten, benötigt man ein komplexes mathematisches Modell. Es ist daher wichtig, reale Daten zu erheben und die tatsächliche Konzentration der Verbindungen in der Probe zu verifizieren, damit die genutzten mathematischen Modelle getestet und verifiziert werden können.

Oben: Eins der
Instrumentengestelle. Unten
Einer der Autoren überprüft
einige Analysen 

Mit freundlicher Genehmigung
von Tim Harrison

Hoch in der Luft benutzen die Wissenschaftler an Bord der FAAM ein Ionisierungsmassenspektrometer (CIMS) um die halogeniserten Verbindungen sowie organische Säuren nachzuweisen, von denen angenommen wird, dass sie die Bildung von Aerosolen zu fördern, was den Transport von Wasserdampf beeinflussen und zur Wolkenbildung führen kann.

CIMS wird benutzt, weil diese Methode sowohl selektiv als auch empfindlich ist. In einem herkömmlichen Massenspektrometer werden die Moleküle einer Probe durch einen Ionenstrahl mit einer festen Ladung (ionsiert) versehen. Die geladenen Teilchen werden dann durch ein elektrisches Feld beschleunigt und ihre Flugbahn wird durch ein magnetisches Feld abgebogen, bevor sie nachgewiesen werden, was dann ein kompliziertes Fragmentationsmuster produziert, das Verbindungen zum Verhältnis von Ladung und Masse der Fragmente herstellt. Durch die Methode der chemischen Ionisierung (CI) kann das Massenspektrometer auf den Nachweis eines spezifischen oder einer Gruppe von Molekülen eingestellt werden, indem ein bestimmtes ‚Ionisierungsgas‘ verwendet wird, um die geladenen Teilchen herzustellen. Dies produziert ein simpleres Spektrum im Vergleich mit traditioneller Massenspektrometrie. Das Instrument für die CIMS wird für jeden Flug mit bekannten und standardisierten Gasgemischen für die Verbindung von Interesse kalibriert.

Da sich die chemische Reaktivität der Verbindungen mit Temperatur und Druck verändern kann, die beide mit der Flughöhe variieren, fliegt das Flugzeug in Höhen zwischen 20 Metern (über dem Meer) bis 10 Kilometer. Das mehrmalige Durchfliegen eines Areals in verschiedenen Höhen über 5 Stunden bedeutet, dass die Flugzeugmessungen mehr räumliche Informationen liefern können als andere Techniken, wie zum Beispiel das Aufsteigenlassen von Wetterballons. Die detaillierten Resultate der Expedition helfen Wissenschaftlern ihre Modelle zu verfeinern und besser zu verstehen, was in der Luft über uns vor sich geht.

Eine sichere Landung

Zurück am Boden auf der winzigen Insel Guam, vertreten sich die Wissenschaftler nach dem langen Flug die Beine. Ihre Daten werden von den Instrumenten im Flugzeug heruntergeladen und warten darauf analysiert und mit den Messungen der anderen Flugzeuge des CAST Projektes, sowie der Ausrüstung auf dem Boden und an Bord von Satelliten verglichen zu werden. Zur gleichen Zeit wird das Flugzeug neu betankt und die Ausrüstung wird kalibriert – für einen neue Tests am nächsten Tag. Obwohl der Hauptvergleich der Daten in Großbritannien durchgeführt wird, werden die Daten auch unverzüglich von anderen Mitgliedern der Vereinigung zur Erforschung der Atmosphäre genutzt, unter ihnen Wetterdienste. Die Daten können auch der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden: In Großbritannien ist beispielsweise ein Großteil der Daten der FAAM Expeditionen auf der Website des British Atmospheric Data Centre (BADC)w2veröffentlicht.

Langsam aber sicher werden Flüge wie diese uns helfen unser Wissen über die Lüfte über uns zu verfeinern. Und da menschliches Handeln die Chemie der Atmosphäre weiterhin verändert, können die Befunde der Wissenschaftler in der Luft Regierungen rund um den Globus informieren und beraten, was wiederum unser aller Leben betreffen wird.

Zwei der Flugzeuge, die Messungen durchführen
Mit freundlicher Genehmigung vom CAST-Team der University of Cambridge, Großbritannien

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Web References

  • w1 - Die Einrichtung für luftgestützte atmosphärische Messungen (FAAM) ist eine Plattform für Flugzeugmessungen für die britische Gesellschaft zur Erforschung der Atmosphäre, insbesondere für Wissenschaftler des Met Office oder von Universitäten, die vom Nationalen Umweltforschungsrat (Natural Environment Research Council) finanziert werden. Ihre Homepage bietet eine Liste der wichtigsten Instrumente und der gemessenen Spezies.
  • w2 - Um mehr über das British Atmospheric Data Centre (BADC) zu erfahren, besuchen Sie: http://badc.nerc.ac.uk/

Resources

  • Das Team aus Manchester in Guam hat einen blog erstellt, um ihre Forschungsreise zu dokumentieren.
  • Klimawandel und Globale Erderwärmung sind 'brandaktuelle' Themen und verdienen eine wichtige Rolle im naturwissenschaftlichen Curriculum von Schulen. Sie können ihre Schülerinnen und Schüler bei ihrer eigenen Vorhersage zum Klimawandel unterstützen, indem sie den folgenden Artikel zu Modellbildungen zum Klimawandel verwenden:
  • Um zu verstehen, wie sich unser Verständnis der Atmosphäre verändert hat, seit das Ozonloch entdeckt wurde, besuchen Sie:
    • Shallcross D. and Harrison T. (2010) Ein Loch im HimmelScience in School 17: 46-53.

  • Eine Bildungswebsite zu Brom-Halogenkohlenwsserstoffe und die Ozonschicht wird vom US Department of Energy’s ARM Climate Research Facility zur Verfügung gestellt.

Author(s)

Kimberley Leather ist eine postdoktorale Forschungsassistentin am Centre for Atmospheric Science, School of Earth, Atmospheric and Environmental Sciences an der University of Manchester in Großbritannien.

Carl Percival ist Professor für atmosphärische Chemie am Centre for Atmospheric Science, School of Earth, Atmospheric and Environmental Sciences an der University of Manchester in Großbritannien.

Tim Harrison ist der Leiter der Öffentlichkeitsarbeit und Lehrender für besondere Aufgaben am Bristol ChemLabs an der University of Bristol, Großbritannien.

Laura Howes ist Mitherausgeberin von Science in School. Sie hat an der University of Oxford Chemie studiert und sich dann einer Gelehrtengesellschaft in Großbritannien angeschlossen um im Feld von wissenschaftlichen Publikationen und Journalismus zu arbeiten. 2013 zog sie nach Deutschland und arbeitet seitdem für Science in School beim Europäischen Labor für Molekularbiologie.


Review

Wenn wir an Forschungslabore denken, stellen wir uns immer weitläufige Räume vor in denen sich Menschen in Laborkitteln zwischen Instrumenten und Arbeitsbänken bewegen. Dies ist für die Forscher dieses Artikel, der einen Einblick in die neuen Möglichkeiten der Erforschung der Atmosphäre und ihrer Phänomene ermöglicht, nicht der Fall.

Auch wenn der Ort der Forschung ungewöhnlich erscheint, werden die Forschungsziele und ihre Bedeutung in deutlicher Sprache und mit angemessener Detailtreue für Lehrerinnen und Schülerinnen der Naturwissenschaften beschrieben. Ich empfehle diesen Artikel für Lehrerinnen und Schülerinnen der Sekundarstufen, die sich für Umweltwissenschaft und die Methoden zur Datengewinnung für die Entwicklung von Klimamodellen interessieren.

Im Anschluss an die Veröffentlichung des 5. Sachstandsberichts des Weltklimarats ( International Panel on Climate Change, IPCC) stellt dieser Artikel eine wertvolle Ressource dar, um Klimaprobleme im Klassenzimmer anzusprechen.


Giulia Realdon, Italien



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CC-BY-NC-ND