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Ein Radar für Wind und Luft

Reflexionen von Radarstrahlen an Luftwirbeln ermöglichen es, vom Boden aus bis in drei Kilometer Höhe Strömung und Turbulenz zu messen. In Kombination mit einer geeigneten Schallquelle läßt sich sogar ein Temperaturprofil des ersten Kilometers bestimmen.


Schadstoffe etwa aus Wohnhausheizungen oder Industrieanlagen gelangen mit aufsteigender Luft in die unteren Atmosphärenschichten, werden vom Wind verfrachtet und vermischt, bis sie bei entsprechenden Strömungsbedingungen wieder in die Biosphäre gelangen. Um diesen Prozeß zu verstehen und Kontaminationen zu vermeiden, reicht es deshalb nicht, die Schadstoffquellen zu überwachen und die Belastung von Luft, Boden und Wasser zu ermitteln; es bedarf auch guter Kenntnisse der Wind-, Turbulenz- und Temperaturprofile bodennaher Luftschichten.

Weil bisherige Meßgeräte, sogenannte Profiler, diese Aufgabe nur unzureichend erfüllen, entwickelten das Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg und das Institut für Meteorologie und Klimaforschung am Forschungszentrum Karlsruhe ein Wind-Temperatur-Radar (WTR siehe Bild). Luftwirbel verändern den atmosphärischen Brechungsindex für Radarstrahlen, deren Wellenlängen einige Dezimeter betragen; steht der Sender am Boden, werden diese Mikrowellen teilweise reflektiert. Mit geeigneten Verfahren lassen sich daraus räumliche Profile des Windes bis in drei Kilometer Höhe, sowie solche des Grades atmosphärischer Turbulenz und – in Kombination mit Schallwellen – der Temperatur bis in ein Kilometer Höhe gewinnen; weil auch Regentropfen, Schneeflocken und Hagelkörner als Streuzentren wirken, sind außerdem gegebenenfalls Parameter des Niederschlags bestimmbar.

Das Radargerät besteht aus jeweils einer Sende- und einer Empfangsantenne die gleichzeitig betrieben werden. Das ausgesandte wird mit dem empfangenen Signal gemischt. Die Frequenz des Senders beträgt im Mittel 1,3 Gigahertz (Milliarden Schwingungen pro Sekunde), variiert jedoch um einige Promille. Weil sich das Spektrum in der Form eines Sägezahnes von tieferen zu höheren Werten ändert, besteht das Mischsignal aus Anteilen verschiedener Frequenzen. Je länger die Laufzeit des rückgestreuten Signals ist, desto größer wird der Frequenzunterschied; auf diese Weise kann man die Entfernung zum streuenden Objekt berechnen.

Die beiden Radarantennen bestehen jeweils aus acht mal acht Hornantennen, deren Strahlen sich durch Interferenz zu einem ausgeprägten, keulenförmigen Hauptstrahl bündeln. Wenn sämtliche 64 Einzelantennen in Phase sind (ihre Mikrowellen also zum gleichen Zeitpunkt Maxima oder Minima haben), ist diese Keule senkrecht nach oben gerichtet; in allen anderen Richtungen löschen sich die Wellen teilweise gegenseitig aus. Erzeugt man Phasenunterschiede zwischen den Zeilen oder Spalten der ausgesandten Einzelstrahlen, ist die resultierende Strahlungskeule geneigt und läßt sich so elektronisch in die vier Himmelsrichtungen schwenken.

Die atmosphärischen Mikroturbulenzen werden – wie Schadstoffe – vom Wind verfrachtet. Somit sind die reflektierten Wellen aufgrund des Doppler-Effekts verändert (bewegen sie sich vom Empfangsgerät weg, wird die Wellenlänge größer). Weil nur Meßsignale bestimmter Differenzfrequenzen herausgefiltert werden, läßt sich nach mehreren Durchläufen des Sägezahnsignals diese Verschiebung bestimmen und daraus die Windgeschwindigkeit errechnen. Durch das Schwenken des Strahls erhält man dann das gesuchte Windprofil.

Um nun zusätzlich Temperaturen zu messen, strahlt man einander überlagernde Schallwellen in die gleiche Richtung wie die elektromagnetischen und erzeugt über die damit verbundenen periodischen Luftdruckänderungen ein streuendes Gitter. Nach Bedingungen, welche der britische Physiker William Lawrence Bragg (1890 bis 1971, Nobelpreis 1915) entdeckt und formuliert hat, muß dazu die Schallwellenlänge gleich der halben elektromagnetischen Wellenlänge sein. Weil sich das Gitter mit der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit in die Höhe bewegt, erzeugt es wiederum einen Doppler-Effekt, aus dem sich das Temperaturprofil in Strahlrichtung erschließen läßt.

Dieses radio acoustic sounding system (RASS) arbeitet bis in ein Kilometer Höhe. Die Schallquelle besteht ebenfalls aus acht mal acht Sendern, deren Wellen sich keulenförmig überlagern. Diese Form ist hier deswegen wichtig, damit die kugelförmigen Wellenfronten das Radarsignal wie ein Hohlspiegel reflektieren und somit zur Empfangsantenne hin fokussieren. Das erhöht auch die Genauigkeit der Windmessungen. Allerdings muß man die Schallquelle zwischen den beiden elektromagnetischen Antennen so verfahren und drehen, daß die Winddrift der Kugelwelle ausgeglichen wird.

Das System wurde im Sommer 1994 erstmals getestet und mit herkömmlichen Systemen – stationären Windmeßgeräten auf Masten, Temperaturfühlern an Ballons (deren Treiben Rückschlüsse auf Windrichtung und -geschwindigkeit zuläßt) sowie einem rein akustischen Meßsystem – verglichen. Keines vermochte Profile mit der Auflösung des WTR zu liefern. Allerdings ist es im RASS-Betrieb recht laut. Zudem treten sporadisch starke Streusignale auf, deren Ursache noch ungeklärt ist; möglicherweise stammen sie von Vögeln.

Nach erfolgreichem Einsatz im Rahmen des Experiments "Sanierung der Atmosphäre in den neuen Bundesländern" steht das WTR momentan beim Meterologischen Observatorium des Deutschen Wetterdienstes in Lindenberg (Brandenburg). Dort wird es wieder mit Ballonsonden verglichen sowie mit einem kommerziellen amerikanischen System ähnlicher Bauart, das zeitgleich entwickelt worden ist.

Weil solche Profiler ein sehr umfassendes Bild atmosphärischer Parameter liefern, lassen sie sich zur Wettervorhersage einsetzen. Derzeit basiert diese auf einem weltweiten Netz von etwa 800 Radiomeßstellen mit jeweils zwei bis vier Ballonaufstiegen pro Tag; sowohl die zeitlich wie räumlich bessere Auflösung des WTR als auch dessen Möglichkeit, Meßroutinen automatisch abzufahren, wären von Vorteil. Außerdem könnten detaillierte meteorologische Daten für Luftreinhaltemaßnahmen und zur Überwachung oder Neuplanung von Industrieanlagen verwendet werden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1995, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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