30.05.2018 | Presseinformationen:

Unbemannte Flugzeuge geben neue Einblicke in das Entstehen von kleinsten Partikeln in der Arktis Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen Partikelneubildung über Spitzbergen

(See english Version below)

Untersuchungen der Atmosphäre mit unbemannten Mini-Flugzeugen können einen wichtigen Beitrag zur Erforschung der Ursachen des Klimawandels in der Arktis leisten, da sie Einblick in bodennahe Luftschichten geben, die von klassischen Messstationen nicht erfasst werden. Das schlussfolgert ein deutsches Forschungsteam der Technischen Universität Braunschweig, des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung Leipzig und der Universität Tübingen aus aktuellen Messungen, die gerade auf Spitzbergen stattfanden. Dabei konnte die Neubildung von Partikeln in der Luft beobachtet werden, die später zu Wolken werden können und Einfluss auf den Klimawandel haben. Weshalb sich die Arktis mehr als doppelt so stark erwärmt wie andere Regionen der Erde, ist im Detail bisher immer noch ungeklärt. Die bis Ende Mai laufende Messkampagne auf Spitzbergen war der erste gemeinsame Einsatz von in Deutschland entwickelten Mini-Forschungsflugzeugen in einer Polarregion.

In den letzten Jahren ist die Arktis mehr und mehr in den Fokus der Klimaforschung gerückt, da sich die bisher beobachteten Änderungen im globalen Klima in den Regionen um die Pole deutlich stärker auswirken als in anderen Regionen. Die Ursachen dafür liegen unter anderem in komplexen Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Meereis und Ozean und sind schwierig zu quantifizieren und in Modellen abzubilden. Um das Verständnis für die besonderen Prozesse und Wechselwirkungen zu verbessern, muss verstärkt vor Ort gemessen werden. Nur wenige kontinuierlich messende Stationen und mobile Messungen mit Schiffen und Flugzeugen sind als Datenbasis verfügbar und liefern die notwendigen Parameter für Analysen und Modellierung.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Braunschweig, des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung Leipzig und der Eberhard Karls Universität Tübingen führten seit Mitte April in Ny-Ålesund auf Spitzbergen, dem nördlichsten Dorf der Welt, Messungen mit unbemannten Flugsystemen durch. Unterstützt wurden sie vom Alfred-Wegener-Institut, dem Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, das auch die Französisch-Deutsche Forschungsbasis AWIPEV in Ny-Ålesund betreibt. In diesem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt „Untersuchungen zur kleinskaligen vertikalen und horizontalen Variabilität des atmosphärischen Grenzschichtaerosols mit unbemannten Flugsystemen“ wird vor allem der Zusammenhang zwischen kleinräumigen Luftbewegungen und der Bildung von kleinsten luftgetragenen Aerosolpartikeln untersucht, die sich aus Gasen bilden können. Da diese kleinen Partikel weiter anwachsen können und dann Licht streuen sowie zur Entstehung von Wolken beitragen, spielen sie für das Klima eine große Rolle.

Die ersten Auswertungen haben gezeigt, dass es verschiedene Szenarien gibt, die zur Neubildung von Partikeln in der Atmosphäre führen: entweder findet die Neubildung zeitgleich in allen untersuchten Luftschichten zwischen Boden und 850 Meter Höhe statt oder sie beginnt in einer bestimmten Luftschicht und breitet sich von dort weiter aus. Der zweite Fall kann mit den seit vielen Jahren kontinuierlich betriebenen, festen Messstationen in Ny-Ålesund und dem nahegelegenen Zeppelinberg nicht von Beginn an beobachtet werden und ist daher eine wichtige Erkenntnis für alle hier tätigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. „Die Messungen mit unbemannten Flugzeugen stellen ein Bindeglied zwischen den Messungen an verschiedenen Stellen in Ny-Ålesund und auf dem angrenzenden Zeppelinberg dar und schließen so eine Wissenslücke über die Verteilung und Transportprozesse in der Atmosphäre“, erklärt Dr. Astrid Lampert von der TU Braunschweig, die die Messkampagne koordinierte.

Die Messkampagne war die dritte größere Studie von ALADINA (Application of Light-weight Aircraft for Detecting IN-situ Aerosol), einem unbemannten Flugzeug (Unmanned Aircraft System – UAS) vom Typ „Carolo P360“, das am Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme der TU Braunschweig entwickelt wurde. ALADINA ist eine Art Hightech-Modellflugzeug: Es hat eine Flügelspannweite von 3,6 Metern, wiegt 25 Kilogramm und kann bis zu 3 Kilogramm Nutzlast transportieren. Der Akku erlaubt eine Flugzeit von bis zu 40 Minuten und eine Geschwindigkeit von bis zu über 100 Kilometern pro Stunde. Im Einsatz war das Mini-Forschungsflugzeug bereits mehrfach in Deutschland – so unter anderem in Melpitz bei Leipzig. Die Besonderheit dieses Flugzeugs liegt vor allem in seiner Ausstattung mit Partikelmessgeräten, die am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig miniaturisiert wurde. Kommerziell erhältliche Geräte wären zu groß und schwer für diesen Einsatz, daher mussten die Geräte selbst entwickelt bzw. erheblich modifiziert werden.

Außerdem setzte die Universität Tübingen UAS vom Typ MASC (Multi-purpose Airborne Sensor Carrier) im Rahmen der Spitzbergen-Kampagne ein. Diese UAS sind wiederum auf die hochauflösende Messung von atmosphärischer Turbulenz und turbulentem Transport von Energie und Impuls spezialisiert. Die Turbulenz ist ein wichtiger Prozess in der Partikelneubildung. MASC haben in der Arktis eine Flugdauer von anderthalb Stunden und werden in Deutschland auch verstärkt in der Windenergieforschung eingesetzt.

Um die verschiedenen Prozesse, die zur Bildung neuer Partikel führen können, zu verstehen, ist eine detaillierte Untersuchung der Messdaten notwendig, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die nächsten Monate beschäftigen wird.


UAV aircrafts provide new insights into the formation of the smallest particles in the Arctic

Scientists study particle formation over Spitsbergen

Investigations of the atmosphere by means of unmanned mini-airplanes can contribute significantly to the investigation of the causes of Arctic climate change, as they provide an insight into ground-level air layers that are not monitored by other measuring stations. This is the conclusion drawn by a German research team from current measurements that have just taken place on Spitsbergen. It was possible to observe the formation of new particles in the air, which can later evolve to clouds and have an influence on climate change. It is still not understood in detail why the Arctic is warming more than twice as strong as other regions of the earth. The measurement campaign on Spitsbergen, which will run until the end of May, was the first joint deployment of mini research aircraft developed in Germany in a polar region.

During the last years the Arctic has increasingly become a focus of climate research, due to the fact that the climate changes observed so far in the Arctic have a much stronger impact than in other regions. The reasons are complex interactions between atmosphere, sea ice and ocean – difficult to quantify and to describe in models. In order to improve the understanding of the specific processes and interactions, more measurements have to be done on site. Yet only a few continuously measuring stations and mobile measurements with ships and aircrafts are available as a database to provide the necessary parameters for analysis and modelling.

Scientists from the Technical University of Braunschweig, the Leibniz Institute for Tropospheric Research Leipzig and the Eberhard-Karls University of Tübingen have been performing measurements with unmanned flight systems since mid-April in Ny-Ålesund on Spitsbergen, the northernmost village in the world. This project is supported by the Alfred Wegener Institute, the Helmholtz Centre for Polar and Marine Research which also operates the French-German research base AWIPEV in Ny-Ålesund.

In the project, funded by the German Research Foundation (DFG) and entitled „Investigations into the small-scale vertical and horizontal variability of the atmospheric boundary layer aerosol with unmanned aerial systems“, the correlation between small-scale air turbulence and the formation of the smallest airborne aerosol particles that can form from gases is investigated in particular. Since these small particles can grow and then scatter light and also influence the formation of clouds, they play a major role in the climate.

The first evaluations show different scenarios leading to the formation of new particles in the atmosphere: either the new formation takes place simultaneously in all investigated air layers between ground and 850 meters height or it begins in a certain air layer and continues from there. The second case cannot be observed from the initial with the fixed measuring stations in Ny-Ålesund and the nearby Zeppelinmountain, which have been in continuous operation for many years, and is therefore an important finding for all the scientists involved.

„The measurements with unmanned aeroplanes represent a connection between the measurements at various sites in Ny-Ålesund and on the adjacent Zeppelin Mountain and thus close a knowledge gap on the distribution and transport processes in the atmosphere,“ explains Dr. Astrid Lampert of the Technical University of Braunschweig, who coordinated the measurement campaign.

The measurement campaign was the third major study by ALADINA (Application of Light-weight Aircraft for Detecting IN-situ Aerosol), an Unmanned Aircraft System (UAS) of the type „Carolo P360“, which was developed at the Institute of Aerospace Systems at Braunschweig Technical University. ALADINA is a type of high-tech model aircraft: It has a wingspan of 3.6 metres, weighs 25 kilograms and can transport up to 3 kilograms of payload. The battery allows a flight time of up to 40 minutes and a speed of up to over 100 kilometres per hour.

The mini research aircraft has already been used several times in Germany – for example at the TROPOS measurement station Melpitz near Torgau. The special feature of this aircraft is especially its equipment with particle measuring devices, which were miniaturized at the Leibniz Institute for Tropospheric Research in Leipzig. Since commercially available devices would be too large and heavy for this application, the devices needed to be developed or considerably modified internally.

The University of Tübingen also used MASC (Multi-purpose Airborne Sensor Carrier) UAS as part of its Spitsbergen campaign. These UAS are specialized in the high-resolution measurement of atmospheric turbulence and turbulent transport of energy and impulses. Turbulence is an important process in particle formation processes. MASC have a flight time of one and a half hours in the Arctic and are increasingly used in wind energy research in Germany.

In order to understand the various processes that can induce particle formation, now a detailed analysis of the measurement data is necessary, which will be the scientist’s main task for the next months.