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Im Auge des Sturms

Hurrican

Es scheint wenige Handlungsmöglichkeiten zu geben, wenn man mit den zerstörerischen Kräften der Natur konfrontiert wird. Unwetter wie Hurrikane, Taifune und Winterstürme suchen regelmässig Bevölkerungszentren heim, und ihre Auswirkungen können katastrophal sein. Lange Zeit war es schwierig vorherzusagen, wann und wie stark ein Sturm eintreffen würde. Während Sie vielleicht bereits von der NOAA (National Oceanographic and Atmospheric Administration) gehört haben, einer US‑amerikanischen Behörde mit der Aufgabe, Wettervorhersagen zu erstellen und Stürme zu beobachten, kennen Sie eventuell noch nicht das Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren im NCAR (National Center for Atmospheric Research). Diese unterstützen seit den 1970ern die NOAA bei der Vorhersage der Stärken und Orte dieser natürlichen Wetterphänomene durch die Entwicklung und den Einsatz eines kleinen, aber leistungsstarken Sensors namens Dropsonde.
 
Earth Observing Laboratory (EOL)
Das EOL (Earth Observing Laboratory) des NCAR, das im schönen Boulder, Colorado, beheimatet ist, ist bereits seit mehr als vier Jahrzehnten führend in der luftgestützten Forschung und Instrumentierung. Das EOL‑Team, bestehend aus Wissenschaftlern und Ingenieuren, unterstützt als ihre Mission die Atmosphärenforschung und die Sammlung von Beobachtungsdaten im Auftrag der US National Science Foundation. Das luftgestützte Programm des EOL umfasst nicht nur Flugzeuge, sondern auch eine Reihe von In‑situ- und Fernerkundungsinstrumenten, die die Sammlung von unschätzbaren Daten für die globale Gemeinschaft der Atmosphärenforschung erleichtern. Eines dieser Instrumente ist die GPS‑Dropsonde. Sie stellt eines der wichtigsten Werkzeuge in der Erforschung von Hurrikanen und Taifunen dar.

GPS‑Dropsonden werden routinemässig von bemannten wie auch unbemannten Luftfahrzeugen abgeworfen. Die Flotte von C‑130s Transportflugzeugen der US Air Force Hurricane Hunters wirft Dropsonden ab, wenn sie in die Nähe eines oder direkt in das Auge eines Sturms fliegt; der NASA/NOAA Global Hawk wirft Sonden ab, während das Fluggerät 18'300 m hoch über einem tropischen Sturm schwebt. Auf ihrem Weg nach unten durch die Atmosphäre sammeln die GPS‑Abwurfsonden detaillierte Daten in hoher Auflösung, die sonst nicht zugänglich wären.

Durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Dropsonden können Modelle ein dreidimensional sich entwickelndes Profil des Wirbelsturms zusammenstellen. Diese essentiellen Beobachtungsdaten ermöglichen nicht nur eine verbesserte Hurrikanvorhersage in den USA, sondern helfen auch Wissenschaftlern bei der Analyse anderer, ebenso anspruchsvoller atmosphärischer Phänomene wie atmosphärische Flüsse, Wintersturmsysteme und Taifune im westlichen Pazifik zu analysieren. Durch die Integration von Sondendaten in Wettervorhersagemodelle verbessern sich die Vorhersagen für Hurrikanverläufe sogar um bis zu 20%. Natürlich haben diese Sonden einen ganz erheblichen Einfluss auf die Gesellschaft, indem sie eine verbesserte Frühwarnung bieten, um die Zahl von Todesopfern möglichst gering zu halten und Schäden in Millionenhöhe (Dollar) zu verhindern.
 
Aber was genau ist eine GPS‑Dropsonde?
Eine GPS‑Dropsonde, auch Abwurfsonde genannt, ist eine wichtige Komponente des grösseren AVAPS (Airborne Vertical Atmospheric Profiling System), kurz auch als Dropsonde‑System bezeichnet. Die hochentwickelte GPS‑Dropsonde ist ein 30.5 cm langes Zylinderrohr mit einem Gewicht von nur 165 Gramm, ausgestattet mit einer kleinen Elektronik, einer Batterie und einer Grundmenge an Atmosphärensensoren, die Windgeschwindigkeit und -richtung, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Druck und vertikale Geschwindigkeit messen.

Der Dropsonde‑Elektronikzylinder ist beim Abwurf aus einem Flugzeug an einem sich schnell öffnenden Fallschirm befestigt. Die Sonde wird kurz vor dem Abwurf eingeschaltet, wobei alle Sensoren einschliesslich des GPS‑Empfängers ebenfalls schnell gestartet werden müssen. Wenn sie im Auge des Wirbelsturms abgeworfen werden, fallen die Sonden aus grossen Höhen auf die Land- oder Meeresoberfläche der Erde hinunter und messen alle halbe Sekunde die Wirbelsturmparameter. Damit liefern sie ein genaues und detailliertes Profil der Atmosphäre.

Die erfassten Daten werden mittels Echtzeit‑Funktelemetrie an ein Datensystem an Bord des Flugzeugs übertragen, wo die Daten angezeigt und archiviert werden. Sobald die Dropsonden die Oberfläche erreicht haben, werden alle während des Absinkens gesammelten Daten über Satellit an eines oder mehrere atmosphärische Forschungszentren, das National Hurricane Center und die World Meteorological Organization gesendet.

GPS dropsonde

Nicht ohne GPS‑Technologie
Unter den Technologien, die in Dropsonden verwendet werden, war die Satellitenpositionierung mit GPS seit ihrer Einführung 1997 entscheidend für den Erfolg der Verbesserung der Hurrikanprognosen. Dropsonden werden zur Bestimmung der Struktur und Intensität von Wirbelstürmen genutzt. Insbesondere der GPS‑Empfänger hilft bei der Messung der Windgeschwindigkeit in bestimmten Höhen. Entscheidend sind die vom Empfänger gemessene horizontale Geschwindigkeit, die vertikale Geschwindigkeit und die Höhe, während der tatsächliche Breiten- und Längengrad irrelevant sind. Der GPS‑Empfänger muss auch bei einem Kaltstart schnelle Aufstartzeiten für die Erkennung von Satelliten bieten. Beim Absinken der Sonde verfolgt der GPS‑Empfänger die Position und Geschwindigkeit der Sonde, wobei die Bewegungsänderung den atmosphärischen Winden entspricht.

Eine Navigationsrate von 4 Hz ermöglicht eine präzise Messung turbulenter, meeresnaher Winde (3 m). Die Sensordaten, die 3D‑Position des GPS‑Empfängers und die 3D‑Geschwindigkeit liefern dem National Hurricane Center wichtige Daten in Echtzeit und sind entscheidend für die Untersuchung der Windstruktur im Bereich der Eyewall (Wand des Auges) von Hurrikanen. Diese Informationen, die den Vorhersage‑Computermodellen zur Verfügung gestellt werden, ermöglichen in Verbindung mit dem Wissen des Analyseteams eine verbesserte Vorhersage der Intensität und des Verlaufs eines Hurrikans.

Hurrikan Katrina

Foto: Mit freundlicher Genehmigung von Sim Aberson und James Franklin bei der NOAA

Und was bringt die Zukunft?
Die Anzahl der erforderlichen Dropsonden variiert je nach Ziel des Flugzeugs. Bei manchen Missionen kommen bis zu 90 Sonden pro Flug zum Einsatz. In den letzten zehn Jahren wurden etwa 30'000 Dropsonden abgeworfen, und dieser Trend wird sich in der Zukunft fortsetzen.

Weitere Informationen erhalten Sie im Video: