Austauschprozesse an atmosphärischen Grenzschichten

In der unteren Atmosphäre findet zwischen den bodennahen Luftschichten bis in etwa 2000 Meter Höhe ein ständiger Stoffaustausch statt. Turbulenz heißt der Motor, der Energie, Gase oder auch Luftfeuchtigkeit in Bewegung bringt. Noch sind die Prozesse am Oberrand der atmosphärischen Grenzschicht und der Austausch mit der darüber liegenden freien Atmosphäre nicht genügend verstanden. Daher sind Vorhersagen über das Wetter, die Ausbreitung von Schadstoffen oder das Klima immer noch mit Fehlern behaftet.

Die Vorgänge in der Atmosphäre genauer zu ergründen und Kenntnislücken hinsichtlich turbulenter Austauschprozesse zu schließen, ist das Ziel dieses Projektes. Das soll geschehen, indem Daten aus Messexperimenten und computergestützte Simulationen kombiniert werden.

Für die Messungen am Oberrand der atmosphärischen Grenzschicht, dem so genannten Entrainment-Bereich, hat das Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme der TU Braunschweig kleine, unbemannte Forschungsflugzeuge entwickelt, die Temperatur, Feuchte und Wind messen und kleinste Luftwirbel erfassen können. Mit diesen meteorologischen Flugrobotern können die Wissenschaftler kostengünstig atmosphärische Turbulenz in Echtzeit messen, ohne diese zu beeinflussen und die zu untersuchende Strömung zu stören.

Am Institut für Meteorologie und Klimatologie der Leibniz Universität Hannover wurde ein Computerprogramm entwickelt, mit dessen Hilfe turbulente Prozesse simuliert werden können. Diese Simulationen erfordern einen extrem großen Rechenaufwand und den Einsatz von tausenden von Prozessoren. Ein entsprechender Rechner befindet sich am Norddeutschen Zentrum für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HLRN) in Hannover. Die Kombination innovativer experimenteller und numerischer Verfahren bietet eine große Bandbreite an Anwendungsgebieten: von der Pollenflugvorhersage über die optimale Anordnung von Windkraftanlagen in Offshore-Windparks bis hin zu einer zuverlässigeren Einschätzung der globalen Klimaentwicklung.