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Meteorologie: Hamburg im Windkanal

Eine Millionenmetropole im Keller: Wovon Modellbaufreunde träumen, dient der Klimaforschung. Klein-Hamburg soll Auskunft über Schadstoffverteilungen und Hitzeinseln geben - dank akribischer Feinarbeit und eines leistungsstarken Windkanals.
Hamburg im Windkanal

Der Herr über Hamburg residiert im Geomatikum der Freien und Hansestadt – und er kann selbst den Wind in seinem Reich nach Belieben steuern. Denn seine Stadt passt bequem in den Keller des Universitätgebäudes, wo ein detailgetreues Modell von Hamburg die meteorologische Forschung in eine neue Dimension katapultieren soll: Das ist das Ziel von Bernd Leitl, dem Leiter des Environmental Wind Tunnel Laboratory (EWTL), und seinem Team.

Sie wollen damit endlich das städtische Mikroklima in all seinen Fassetten darstellen – ein Maßstab, an dem die Fachwelt bislang gescheitert ist. Bisher prognostizieren Meteorologen und Klimatologen mit Hilfe von Großrechnern klimatische Veränderungen, doch haben ihre Computermodelle einen entscheidenden Nachteil: Sie errechnen nur Durchschnittswerte, die für große Flächen und Regionen durchaus ausreichen. Für die kleinteiligen Städte mit ihren Hochhausschluchten, Parks und Industrieflächen liefern sie jedoch nur ungenügende Daten.

Hamburg im Windkanal | Mit viel Liebe zum Detail haben die Forscher Klein-Hamburg aufgebaut, um sie mit "Wotans" Hilfe zu erforschen.

Das EWTL soll dieses Manko beheben: In den insgesamt vier Windkanälen des Geomatikums können mit Hilfe nachgebauter Miniaturmodelle realistische Daten ermittelt werden, wie sich Schadstoffe in einer Stadt ausbreiten oder wie sich das Mikroklima in den Häuserschluchten verändert, wenn ein neues Gebäude errichtet wird – eine einzigartige Experimentierlandschaft in Europa. "Für alle Computermodelle gilt, dass sie die architektonischen Realitäten zu grob und vereinfacht darstellen", sagt Bernd Leitl. Für die Untersuchung turbulenter Windfelder in urbanen Gebieten beispielsweise genüge es nicht, dass eine Kirche als großer Würfel abstrahiert in ein Rechenmodell eingefügt werde. "Es ist wichtig, dass alle Gebäude realistisch dargestellt sind. Eine Kirche hat üblicherweise ein spitz geneigtes Dach und einen Glockenturm. Erst wenn diese architektonischen Besonderheiten berücksichtigt werden, lassen sich belastbare Daten ermitteln", so der Forscher.

Selbst der Kamin wird originalgetreu abgebildet

Was in der Theorie schnell einleuchtet, stellt für die Forscher des EWTL jedoch eine langwierige Sisyphusarbeit dar. Denn vor Beginn eines jeden neuen Projekts müssen sie zunächst einmal ein maßstabsgetreues Modell des Untersuchungsobjekts nachbauen. Teilweise dauere diese Arbeit Monate, so Leitl. In einem Nebenraum, unter dem Dach und an den Wänden des Labors hängen zahlreiche Modelle von laufenden oder abgeschlossenen Forschungsprojekten. Auf großen Holzplatten reihten die Mitarbeiter kleine Häuser auf, bei denen selbst die Kamine noch maßstabsgetreu nachgebaut wurden. Sogar Wälder und Bäume zwischen den Häusern bildeten sie mit Drahtgeflechten nach und können sie so ebenfalls berücksichtigen.

Diese Holzplatten werden dann für die Messungen in die Windkanäle eingebaut. Vor den Modellhäuschen stehen zudem kleine Rauigkeitselemente aus Legosteinen oder Metallplatten, die dafür sorgen, dass der Wind verwirbelt wird und wie in der Realität auch nicht einfach nur frontal auf die Nachbauten trifft – eine sehr zeitaufwändige Angelegenheit. Doch für die Forschung im Windkanal ist diese Vorbereitung für die Messungen ausschlaggebend. Erst, wenn alles so realitätsnah wie möglich aufgebaut und eingerichtet ist, können am Ende einer Messreihe belastbare Ergebnisse stehen.

Die wahre Dimension dieser Arbeit zeigt sich in den technischen Maßen der Versuchsanlage recht deutlich: Mit "Wotan" steht in den Kellern der Universität Hamburg der größte Grenzschichtwindkanal Europas. Sein Name wurde dabei nicht ohne Grund gewählt: "Wotan" entstammt sprachwissenschaftlich dem altgermanischen Wortgeschlecht für "Anblasen" oder "Anfachen". Wie häufig in der Forschung fehlten den Wissenschaftlern anfänglich die nötigen finanziellen Mittel für das Projekt, weshalb sie selbst die Initiative ergriffen und Wotan in Eigenregie errichteten. Innerhalb eines Jahres plante und baute Leitl den Windkanal zusammen mit zwei Technikern und vier Studenten. Von "normalen", in der Autoindustrie eingesetzten aeronautischen Windkanälen unterscheidet sich der Grenzschichtwindkanal in der Art, wie der Wind anströmt. Bei gebäudeaerodynamischen Untersuchungen muss der Wind im Vorfeld verwirbelt werden, weshalb ein derartiger Windkanal eine ausreichend lange Anlaufstrecken benötigt, damit der erzeugte Wind turbulenter wird.

Klein-Hamburg | Mit ihrem leistungsstarken Windkanal wollen die Forscher ergründen, wie sich Luftmassen in der Stadt verwirbeln oder wo sie sich stauen.

Die ersten Ergebnisse der Fleißarbeiten von Leitl und Co sind jedenfalls schon beachtlich: Wotans Propeller kann Windgeschwindigkeiten von bis zu 15 Meter pro Sekunde erzeugen, was Windstärke 7 auf der Beaufortskala entspricht. In einem 26 Meter langen Kanal mit einem Querschnitt von 3 mal 4 Metern können so realistische Windverhältnisse erzeugt werden – wie sie beispielsweise in der Antarktis herrschen. Und so konnte Leitl etwa durch eine Vermessung der deutschen Antarktisstation "Georg von Neumayer" nachweisen, dass die ursprünglich geplante runde Form des Gebäudes zu großen Schneeverwehungen um die Station herum führen und damit das Projekt vor große Schwierigkeiten stellen würde. Die Wissenschaftler der Station wären ständig damit beschäftigt gewesen, diesen Schnee wegzuschaffen, so Leitl. "Durch die von uns vorgeschlagene Trapezform der Station sind die Schneeverwehungen nun deutlich geringer als bei der ursprünglichen Form." Selbst im Schiffsbau leistete der Windkanal bereits hilfreiche Dienste. Anhand einer Jacht belegten die Wissenschaftler, dass über das Heck des Schiffs giftige Abgase wabern würden. Ein zusätzlicher Schornstein löst das Problem nun.

Durchlüftungsschneisen für gutes Binnenklima

Verglichen mit dem Hamburg-Projekt handelt es sich bei diesen Arbeiten allerdings nur um Kleinkram. Denn nun muss eine Millionenmetropole simuliert werden. Der Doktorand Frieso Kipsch untersucht zum Beispiel die Auswirkungen von Gebäuden auf die Windverhältnisse in einer Stadt und misst mit Wotan ganze Stadtteile für seine Arbeit aus. Sein Ziel ist es, Handlungsanweisungen für Städteplaner zu erstellen, mit deren Hilfe das Windklima von urbanisierten Gebieten verbessert werden kann. Neben starken und turbulenten Winden, die durch Häuserschluchten wehen, interessieren ihn die besonders heißen Orte einer Stadt, die so genannten Urban Heat Islands (UHI). Sie entstehen, wenn in einer Stadt keine ausreichende Durchlüftung herrscht und sich durch die in Städten vorherrschende sehr dichte Bebauung die Hitze des Tages aufstaut. UHI zu beseitigen gelingt am ehesten, wenn man in die architektonische Umgebung eingreift, so dass sich entsprechende Durchlüftungsschneisen bilden: Sie schaffen die Hitze aus der Stadt heraus, wenn sie gut angelegt sind.

Kipsch sucht im Windkanal gezielt nach den Orten im Modell, an denen sich Hitze staut. "In den Städten machen wir uns das Klima selbst", so der Forscher. Oft könnten bereits kleine Veränderungen der Baupläne zu einer deutlich verbesserten Stadtdurchlüftung führen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts untersucht er beispielhaft das Windklima des Hamburger Stadtteils Wilhelmsburg, wo die Hansestadt eine tief greifende Umgestaltung dieses auf der Elbinsel gelegenen Stadtteils plant. Obwohl geografisch im Zentrum der Stadt gelegen, fristet Wilhelmsburg bis heute eher ein soziales Randdasein. Die Stadt versucht deshalb derzeit, durch eine ganze Reihe von Neubauten den Stadtteil attraktiver zu machen.

Laser-Doppler-Anemometer | Dieses Gerät misst, wenn Rauch durch Wind verwirbelt wird – so lassen sich dessen Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung erfassen.

Durch diese tief in das architektonische Gefüge des Stadtteils eingreifenden baulichen Veränderungen wird sich jedoch auch das Windklima von Wilhelmsburg deutlich verändern, so Kipsch. Bereits heute ist der Stadtteil durch seine Lage auf der Elbinsel starken Winden ausgesetzt, und durch den Bau neuer Gebäude würden diese Windfelder stellenweise noch deutlich turbulenter werden. Um die Auswirkungen dieser Veränderungen sichtbar zu machen, hat er ein Modell von Wilhelmsburg im Maßstab 1 zu 350 nachgebaut und damit in Wotan die windklimatischen Veränderungen ausgemessen.

Um solche Messungen durchführen zu können, bläst er am Beginn des Windkanals durch eine Nebelmaschine Rauch in den Kanal. Durch den Wind wird dieser verwirbelt und kann dann mit einem Laser-Doppler-Anemometer (LDA) vermessen werden: Bei der Messung mit einem LDA wird ein Laserstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt, die sich am Ort der Messung kreuzen. Dabei entsteht ein Interferenzstrahlenmuster, mit dessen Hilfe die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Rauchs gemessen werden kann. Auf Grund solcher Messungen lassen sich realistische und detaillierte Daten über die zu erwartenden Windfelder einer Stadt ermitteln und darüber hinaus auch die erwartbaren Hitzeinseln identifizieren. Für Wilhelmsburg hat Kipsch die Messungen bereits abgeschlossen; nun müssen die Daten noch analysiert werden, um zu endgültigen Ergebnissen über die windklimatischen Veränderungen im Stadtteil zu kommen.

Dass die Erforschung des Klimas in urbanen Gebieten bis heute etwas Besonderes ist, zeigt sich auch an den Wissenschaftlern selbst: Kipsch und Leitl sind keine Meteorologen. Ihre wissenschaftliche Expertise stammt aus einem anderen Fachbereich. "Der Windkanal kommt ursprünglich aus den Ingenieurwissenschaften", sagt Leitl. Er selbst habe Strömungswissenschaften und Thermodynamik studiert und Kipsch Umwelttechnik und Ressourcenmanagement. Hamburg haben sie mit diesen Fähigkeiten bereits erobert.

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