Mit Untersuchung atmosphärischer Gravitationswellen Wetter- und Klimamodelle verbessern

PNAS: Bis 1960 unklar

Am 03.09.2018 schrieb ein unmotorisiertes Experimental-Segelflugzeug Geschichte, als es in die Stratosphäre flog. Nachdem sie von El Calafate, einer Stadt in der Nähe des südpatagonischen Eisfeldes in Argentinien, aufgebrochen waren, surften die Segelflieger Jim Payne und Tim Gardner auf riesigen, von den Anden ausgehenden Luftwellen. Sie erreichten eine – von keinem anderen unmotorisierten Flugzeug jemals erreichte – Weltrekordhöhe von 23.203 Metern. Es war eine Leistung, die nicht nur durch menschlichen Einfallsreichtum, sondern auch durch die unglaubliche Stärke eines Phänomens ermöglicht wurde, das als atmosphärische Gravitationswellen bekannt ist. Ein Artikel von Adam Mann am 24.09.2019 in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

Atmosphärische Gravitationswellen, die hier über dem Indischen Ozean über das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer im Terra-Satelliten der NASA zu sehen sind, entstehen, wenn Luftpakete nach oben gedrückt werden – Bild © Jacques Descloitres, MODIS Rapid Response Team, NASA/GSFC

Im Gegensatz zu den ähnlich benannten (und vielleicht berühmteren) kosmischen Gravitationswellen, die Wellen im Gefüge der Raumzeit sind, sind atmosphärische Gravitationswellen ein rein terrestrisches Phänomen. Sie entstehen, wenn Luftparzellen z.B. durch eine Gebirgskette nach oben getrieben werden, die von einer dichten Atmosphärenschicht zu einer dünneren übergeht. Die schwereren Luftbläschen fallen dann aufgrund der Schwerkraft zurück, was zu einer periodischen Schwingung führt, die Energie und Impuls über weite Strecken transportieren kann. Es sind die kleinsten atmosphärischen Wellen, welche die Forscher untersuchen, im Allgemeinen zwischen einigen hundert Metern und einigen hundert Kilometern Größe. Aber ihre kumulativen Auswirkungen können dramatisch sein.

Die Wirkung der atmosphärischen Gravitationswellen bringt Energie aus der Troposphäre – der untersten atmosphärischen Schicht, die in einer Höhe von etwa 10 Kilometern – über dem Rand des Weltraums, 500 oder mehr Kilometer über der Erdoberfläche endet. Sie spielen sowohl bei Tageswetter als auch bei langfristigen Klimaschwankungen eine wichtige Rolle, indem sie starke Strahlströme verlangsamen und die zirkulierenden polaren Wirbel beeinflussen, die über den Polen unseres Planeten entstehen. Sie beeinflussen atmosphärische Turbulenzen, Temperaturen und Chemikalien, aber die begrenzte Rechenleistung verhindert weiterhin, dass sie direkt in die meisten Atmosphärensimulationen einbezogen werden.

Obwohl die Forscher glauben, dass sie die Grundlagen der atmosphärischen Gravitationswellen recht gut beherrschen, würde ein detaillierter und realistischerer Blick auf das Verhalten der Wellen eine höhere Genauigkeit für Simulationen bieten, die sowohl das lokale Wetter als auch mögliche schädliche Auswirkungen des Klimawandels vorhersagen. In den letzten Jahren sind neue Bemühungen entstanden, um eine bessere Beobachtung und Modellierung dieser wichtigen Akteure in der dynamischen Atmosphäre unseres Planeten zu ermöglichen.

“Sie scheinen klein”, sagt die Atmosphärenforscherin Joan Alexander von NorthWest Research Associates in Boulder, Colorado. “Aber sie beeinflussen Prognosen und Vorhersagen in vielen Zeitabständen, und wenn wir sie nicht berücksichtigen, bekommen wir große Vorurteile in unseren Modellen.”

Ein Stein im Teich

Forscher kennen die atmosphärischen Gravitationswellen seit dem 19. Jahrhundert, aber die Wellen blieben bis 1960 unklar. Um diese Zeit begann sich der Atmosphärenforscher Colin Hines vom Canadian Defense Research Board zu fragen, warum die von Meteoren hinterlassenen Spuren, die durch den 80 bis 110 Kilometer über der Oberfläche liegenden Teil der Ionosphäre zogen, oft unregelmäßige wellenartige Verzerrungen enthielten. Seine Berechnungen zeigten, wie Gravitationswellen von unten wie Meereswellen am “Ufer” der oberen Atmosphäre aufprallten und die seltsamen Spurenmuster induzierten. Hines entwickelte die erste allgemein akzeptierte Theorie darüber, wie Gravitationswellen funktionieren und wie sie andere Ereignisse in der Atmosphäre beeinflussen.

Atmosphärische Gravitationswellen können auf vielfältige Weise erzeugt werden, z.B. wenn Luft auf und über Berge strömt oder im Aufwind eines heftigen Gewitters. Die Luftpakete können Wellen erzeugen, die sich horizontal über den Planeten bewegen, ähnlich wie Meereswellen, die an der Meeresoberfläche auf- und abtauchen. Häufiger klettern die Wellen vertikal und steigen in verschiedene Schichten der Erdatmosphäre auf, die mit zunehmender Höhe exponentiell dünner wird. Die Erhaltung der Energie zwingt die Wellen, in der Luft mit geringerer Dichte in ihrer Amplitude zu wachsen, so dass sie zu entfernten Höhen aufsteigen können.

“Es ist, als würde man einen Stein in einen Teich fallen lassen”, sagt der Klimaforscher Julio Bacmeister vom National Center for Atmospheric Research in Boulder. “Wenn ein Paket die Stratosphäre erreicht, erzeugt es Schwingungen, die sich in alle Richtungen ausbreiten.”

Atmosphärische Gravitationswellen wurden erstmals in den 1980er Jahren in globale Wettervorhersagemodelle integriert. Zuvor hatten numerische Simulationen, welche die Mesosphäre – eine atmosphärische Region zwischen 50 und 85 Kilometern – umfassten, Temperaturmuster erzeugt, die nicht den tatsächlichen Schwankungen unseres Planeten entsprachen. Die Mesosphäre ist besonders schwierig zu modellieren, da sie im Sommer unerwartet kälter und im Winter wärmer wird warum, konnte zu diesem Zeitpunkt konnte niemand herausfinden. Forscher stellten fest, dass atmosphärische Gravitationswellen aus der Nähe der Oberfläche gegen Luftströme in der Mesosphäre prallen und ihre normalen Strömungen verändern. Der Effekt zwang die Winde in der Mesosphäre, von der Sommerhalbkugel der Erde zur Winterhalbkugel zu strömen, wodurch die anomale Temperaturinversion erzeugt wurde.

Die Wirkung der atmosphärischen Gravitationswellen bringt Energie aus der Troposphäre über den Rand des Weltraums hinaus, 500 oder mehr Kilometer über der Erdoberfläche – Bild © NASA

Aber diese frühen Modelle waren zu grobkörnig, um die kleinräumigen Schwingungen relativ kleiner atmosphärischer Gravitationswellen zu lösen. Stattdessen stützten sich die Theoretiker auf eine so genannte Parametrisierung – im Wesentlichen einen Workaround, bei dem die Forscher ihr Wissen über die Aktionen der Gravitationswellen nutzen, um der Simulation zu sagen, wie sie auf ihre Einflüsse reagieren solle, auch wenn die Forscher die Wellen selbst nicht einbeziehen konnten. Parametrisierungen haben sich bei der Abbildung der meisten realen Aktivitäten unseres Planeten bewährt und werden in den meisten Fällen noch immer zur Modellierung der Auswirkungen von atmosphärischen Gravitationswellen verwendet. Aber Bacmeister sagt, dass sich die grundlegenden Methoden seit der Zusammenstellung der ersten Systeme vor mehr als 30 Jahren nicht wesentlich geändert hätten, und viele im Feld versuchten nun, ihre Simulationen zu verbessern.

Schmetterlingseffekt

Es ist relativ einfach, die Auswirkungen stationärer topografischer Merkmale wie Berge zu parametrisieren. Aber Winde können manchmal eher um Berge herum als über sie wehen, so dass eine vereinfachte Behandlung zu viel oder zu wenig Veränderung bewirken kann. Die Ergebnisse transienter Phänomene wie Sturmfronten und Wolken sind noch schwieriger zu parametrisieren, da solche Ereignisse sporadisch aus komplexen Ursachen entstehen. Gravitationswellen können auch Turbulenzen oder kleinere Sekundärwellen erzeugen, aber der Stand der Technik reicht immer noch nicht aus, um solche Feinheiten zu lösen.

“Es ist so etwas wie der Schmetterlingseffekt”, sagt der Atmosphärenforscher David Fritts, Gründer der Colorado-Abteilung des Luft- und Raumfahrtkonzerns GATS, und verweist auf die Idee, dass winzige Aktionen, wie ein Schmetterling, der mit den Flügeln schlägt, zu großen Konsequenzen führen können. “Wenn man die Schmetterlinge nicht zulässt, ist es schwer, den Effekt zu erzielen.”

Am International Space Science Institute in Bern, Schweiz, hat Alexander kürzlich ein Team von Experten für Datenassimilation und globale Wetter- und Klimavorhersagemodelle zusammengeführt, um herauszufinden, wie man atmosphärische Gravitationswellen-Simulationen am besten vorantreiben kann. Obwohl die kleinen Wellen die Gesamtprognose, dass sich die Erde in den kommenden Jahrzehnten erwärmen wird, nicht beeinflussen, können ihre Handlungen entscheidend dafür sein, ob ein bestimmter Teil der Erde ein größeres Potenzial für Dürren, Überschwemmungen oder andere schädliche Folgen hat. Die Gruppe hofft, dass ein besserer Umgang mit den Quellen der atmosphärischen Gravitationswellen, eine höhere Auflösung ihrer Modelle und Verbesserungen bei den Parametrierungsschemata dazu beitragen werden, wichtige Informationen für Planer bereitzustellen, die wetterbedingte Schäden durch Routineereignisse wie Regen und Temperaturextreme sowie durch Großereignisse wie Hurrikane, Tsunamis und Wirbelstürme, die schätzungsweise 30% der Weltwirtschaft betreffen, minimieren wollen.

In den vergangenen zehn Jahren haben erdbeobachtende Satellitenmissionen bei solchen Projekten geholfen und eine bedeutende Ära klimatologischer und atmosphärischer Daten eingeleitet. Meistens für das menschliche Auge unsichtbar, waren atmosphärische Gravitationswellen in der Vergangenheit schwer zu beobachten. Wetterballons, die zweimal täglich von Hunderten von Orten auf der ganzen Welt starten, liefern den Forschern Informationen über Temperatur, Druck, Windgeschwindigkeiten und Richtungen der Atmosphäre, decken aber nicht vollständig die Ozeane oder die gesamte vertikale Höhe der Atmosphäre ab. Instrumente wie der Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) der NASA und die Atmospheric Dynamics Mission Aeolus (ADM-Aeolus) der Europäischen Weltraumorganisation können von ihrem Sitzplatz aus auf Veränderungen von Wind, Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf der gesamten Erde achten und ermöglichen es den Forschern, komplexe prädiktive Wettermodelle zu erstellen.

Bisher gab es keine Satellitenmissionen, die sich speziell mit atmosphärischen Gravitationswellen befassten, und die Forscher verlassen sich oft auf zufällige Daten, die von Instrumenten auf Satelliten gesammelt werden, die für andere Zwecke bestimmt sind. Aber Anfang dieses Jahres hat die NASA das Atmospheric Waves Experiment (AWE) grün beleuchtet, ein Observatorium, das überwachen wird, wie Gravitationswellen in der Ionosphäre die Kommunikation mit Radio und Global Positioning System (GPS) stören. Die AWE soll im August 2022 zur Internationalen Raumstation fliegen.

Bodenbasierte Detektoren wie Radar- und LIDAR-Geräte (Light Detection and Ranging), die atmosphärische Verschiebungen erkennen können, werden ebenfalls eingesetzt, um Gravitationswellendaten zu sammeln. In Kombination mit Satellitenbeobachtungen helfen Informationen aus diesen Kampagnen, die noch offenen Fragen vor Ort zu beantworten. So replizieren globale Zirkulationsmodelle oft nicht korrekt das Verhalten des antarktischen Polarwirbels, eines organisierten Luftverwirbels über dem Südpol unseres Planeten. Die Simulationen sagen viel stärkere und kältere Winde voraus, als die Meteorologen beobachtet haben; die Forscher vermuten, dass dies zum Teil auf Gravitationswellen zurückzuführen ist, die aus 60 Grad südlicher Breite stammen – eine besonders windreiche Region unseres Planeten, die nicht viel Beobachtungsdichte hat.

Beim British Antarctic Survey hilft die Atmosphärenphysikerin Tracy Moffat-Griffin bei der Leitung des Drake Passage Southern Ocean Wave Experiment (DRAGON-WEX), das mit Radar und Satelliten atmosphärische Gravitationswellen über dem Südlichen Ozean und die Drake Passage an der Spitze Südamerikas messen wird, um zu untersuchen, wie sie zu dieser Diskrepanz beitragen könnten. Moffat-Griffin hat auch an der Organisation des Antarctic Gravity Wave Instrument Network (ANGWIN) mitgewirkt, einem internationalen Projekt zur umfassenderen Abdeckung von Gravitationswellen über dem Südpol. In ihren Wellen können atmosphärische Gravitationswellen kalte Stellen erzeugen, an denen sich Wolken bilden. Die Oberfläche polarer stratosphärischer Wolken induziert oft ozonzerstörende chemische Reaktionen, die zum Ozonloch der Erde beitragen, so dass die Überwachung der Wellen ein wichtiger Teil der Vorhersage ihrer Größe und ihres Verhaltens ist.

Atmosphärische Gravitationswellen sind nicht nur ein irdisches Phänomen. Beobachtungen der japanischen Mission Akatsuki, die derzeit die Venus umkreist, haben eine 10.000 Kilometer breite, bogenförmige Struktur in der oberen Atmosphäre des Planeten ergeben, die trotz der turbulenten Venuswolken periodisch erscheint und tagelang stationär bleibt. Forscher glauben, dass die Struktur durch Aufwinde verursacht wird, die von Bergen an der Oberfläche kommen.

Zusammen mit verbesserten Simulationen wird eine bessere Überwachung den Atmosphärenforschern helfen, ein viel besseres Verständnis der Gravitationswellen auf der Erde und darüber hinaus zu erlangen. “Wie bei allen Dingen in der Meteorologie hat man Modelle und Beobachtungen”, sagt der Atmosphärenforscher Marvin Geller von der Stony Brook University in New York. “Du verbesserst die Modelle durch Beobachtung, und es gibt ein Zusammenspiel zwischen den beiden.”

->Quellen: