Ein Laser erkundet die Atmosphäre

Die aerologische Station von MeteoSchweiz in Payerne setzt ausser Wetterballonen auch einen optischen Radar ein. Als ein isländischer Vulkan im letzten Frühjahr Asche spuckte, leistete das High-Tech-Gerät einen Sondereinsatz.

Oberhalb der Broye-Ebene führt ein schmaler Landwirtschaftsweg zu einem Gebäude, das inmitten merkwürdiger, geheimnisvoller Instrumente steht: zur aerologischen Station von Payerne. Die Station bildet das Nervenzentrum von MeteoSchweiz, die hier ihre gesamten meteorologischen Oberflächendaten und Werte zur Atmosphäre sammelt.

Das Abenteuer begann in den vierziger Jahren, und auf Payerne fiel die Wahl nicht zufällig. Meteorologische Daten galten damals als strategisch wichtig, und die Wetterballone mit den Informationen aus der Atmosphäre sollten unbedingt auf Schweizer Gebiet niedergehen. Studien ergaben, dass Payerne aufgrund der vorherrschenden Winde dieseAnforderung am besten erfüllt. 70 Jahre später bestätigen die Statistiken dies.

Im Rhythmus der Ballone

Noch heute bestimmen die Ballonsonden den Lebensrhythmus der Station. Diese gehört zum Messnetz der Weltorganisation für Meteorologie, das rund 700 Stationen
umfasst. Zweimal pro Tag lassen diese Stationen um null und zwölf Uhr mitteleuropäischer Zeit gleichzeitig eine Ballonsonde steigen. Die Wind-, Druck-, Temperatur und Feuchtigkeitsprofile, die von den Ballonen bis über 30 000 Meter Höhe gemessen werden, liefern die Grundinformationen für Wetterprognosen auf der ganzen Welt.

Für Bertrand Calpini, Leiter der Station, «erfüllen diese Ballone ihre Aufgabe gut, sie sind aber nicht in der Lage, konstant Messungen zur Atmosphäre zu liefern». Aber es gibt für dieses Problem eine Lösung: In einem Hangar am Rand der Station steht ein Lidar-System (LIght Detection And Ranging), ein Lichtradargerät, das ein Team der ETH Lausanne unter Hubert van den Bergh und Valentin Simeonov für MeteoSchweiz entwickelt hat. Der Radar kam im August 2008 nach Payerne und ist vom experimentellen zum voll einsatzfähigen Instrument gereift. Tag und Nacht liefert er alle 30 Minuten Profile über den Wasserdampf- und den Aerosolgehalt der Atmosphäre über Payerne. Mit diesen Daten lassen sich die Modelle ständig anpassen und die Prognosen verbessern.

Im Innern des Hangars erklärt Valentin Simeonov, derzeit Verantwortlicher der Gruppe Lidar an der ETH Lausanne, wie dieser funktioniert: «Der Radar schickt sehr kurze Laserimpulse in die Atmosphäre. Die Moleküle und Partikel in der Atmosphäre interagieren mit diesem Lichtstrahl. Ein winziger Teil des Strahls wird zum Boden zurückgeworfen, wo ein Teleskop ihn auffängt und einem Lichtdetektor zuführt. Das vom Lichtdetektor erzeugte elektrische Signal kann dann ausgewertet werden.»

Licht prallt auf Materie

Dieses Laserlicht trägt Informationen übe die Materie, mit der es zusammengetroffen ist. Die einfachste Interaktion wird als elastisch bezeichnet: Wenn ein Photon auf einen Partikel oder ein Molekül trifft, prallt es daran ab wie ein Ball von einer Mauer. Aus der bekannten Geschwindigkeit des Lichts und der Zeit, die zwischen Aussendung und Rückkehr des Lichtstrahls verstreicht, lässt sich die Entfernung des Partikels oder Moleküls berechnen. Der Vibrations-Raman-Effekt (benannt nach Sir Chandrasekhara Venkata Raman, dem indischen Entdecker dieses Effekts) beschreibt eine weitere Interaktion: Das Licht und das getroffene Molekül tauschen Energie aus, wodurch sich die Wellenlänge des Lichts verändert. Die Veränderung hängt dabei von der Art des getroffenen Moleküls ab: Dieses hat dem Licht sozusagen seinen Stempel aufgedrückt. Da Stickstoff in der Atmosphäre in einer konstanten Konzentration vorkommt, lässt sich aus den Intensitäten des zurückgeworfenen Lichts bei den
für Wasser bzw. Stickstoff charakteristischen Wellenlängen der Wasserdampfgehalt in verschiedenen Höhen feststellen. Weitere Interaktionen wie der Rotations-Raman-
Effekt oder der Doppler-Effekt geben Aufschluss über Temperatur- oder Windprofile.

Wetterprognose der Zukunft

Weshalb also kommen überhaupt noch Ballonsonden zum Einsatz? Die Antwort von ertrand Calpini ist klar: «Erstens handelt es sich bei unserem Lidar-System um einen Prototypen, und es ist nicht realistisch, dass jede aerologische Station mit einem solchen Gerät ausgerüstet wird. Zweitens funktionieren die Ballone bei jedem Wetter, und sie steigen bis auf über 30 000 Meter auf.»

Ein Lidar-Laser dagegen ist bei einer niedrigen Wolkendecke nicht benutzbar, und die gelieferten Daten beschränken sich auf die ersten zehn Kilometer der Atmosphäre.
Heute ist das aktuelle System nur während 50 Prozent der Zeit einsatzfähig. Doch der Leiter der aerologischen Station in Payerne ist überzeugt: «Die Lidar-Technologie ist zweifellos ein Schritt hin zur Meteorologie von morgen.»

Philippe Morel

Dieser Artikel ist im Schweizer Forschungsmagazin "Horizonte" Nr. 86 erschienen, das vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) herausgegeben wird. Sie können das Magazin gratis abonnieren.