Forscherteam der Uni Bayreuth macht Messungen in Spitzbergen

Wetter- und Klimaprognosen sind das Resultat einer Vielzahl empirischer Daten. Für die Auswertung dieser Daten haben die Meteorologie und die Klimaforschung komplexe Modelle entwickelt. Ein Faktor, der bei diesen Berechnungen eine zentrale Rolle spielt, ist die Temperatur unmittelbar an der Erdoberfläche. Sie lässt sich prinzipiell nicht durch Temperaturmessungen ermitteln. Methodische Sorgfalt bei der Berechnung ist daher unabdingbar, wenn man Wetter- und Klimaprozesse möglichst fehlerfrei vorhersagen will – auch in der Arktis.

Phänomen entdeckt

Forscher der Abteilung Mikrometeorologie der Universität Bayreuth haben – im Rahmen des Forschungsprojekts ARCTEX 2006 – in Spitzbergen umfangreiche Messungen vorgenommen. Dabei sind sie auf ein Phänomen gestoßen, das selbst erfahrene Klimaforscher zu Fehleinschätzungen der Bodenoberflächentemperatur verleiten kann.

Wie Dr. Johannes Lüers, der Bayreuther Leiter des Forscherteams, und sein Kollege Dr. Jörg Bareiss von der Universität Trier aktuell berichten, nimmt die Temperatur der Luft normalerweise stetig ab, je weiter man sich von der Erdoberfläche entfernt. Dieser vertikale Temperaturverlauf ist jedoch über kalten Oberflächen, wie etwa über einer Schnee- oder Eisfläche im Arktischen Frühling, oftmals gestört. Dabei steigt die Temperatur über der Oberfläche zunächst stark an, bis eine Höhe zwischen ein und drei Metern erreicht ist. Erst dann fällt die Temperatur mit wachsender Entfernung vom Erdboden im normalen Verlauf ab.

Infrarot und Ultraschall

Das Forscherteam aus Bayreuth hat herausgefunden, dass dieser gestörte vertikale Temperaturverlauf in der Arktis unter zwei verschiedenen Konstellationen entsteht. Einerseits kann sich die Oberfläche des Dauerfrostbodens in den Morgen- und in den Abendstunden extrem abkühlen; und zwar deutlich schneller als die unmittelbar darüberliegende Luftschicht. In diesen Fällen ist dann bis zu einer Höhe von ein bis drei Metern über dem Boden ein starker Temperaturanstieg zu beobachten.

Andererseits kommt es vor, dass die Temperatur an der Bodenoberfläche während der Mittagsstunden rasch ansteigt. Dann geschieht es, dass die darüber liegende Luft bis zu einer Höhe von einem Meter kälter wird, sich danach aber bis zu einer Höhe von drei Metern wieder erwärmt; und erst darüber kühlt sie sich wieder stetig ab.

Wirbel wirbeln durch die Luft

Weshalb kann sich dies irreführend auf die Berechnung der Oberflächentemperatur auswirken? Ein Faktor, der normalerweise die Temperatur in der Nähe des Erdbodens wesentlich mit beeinflusst, sind Wirbel in den darüberliegenden Luftschichten. Sie transportieren warme oder kalte Luft, Wasser sowie Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen. Die sowohl mit Ultraschall als auch mit Infrarotstrahlen gewonnenen Daten erlauben wesentliche Rückschlüsse auf die Richtung, die Geschwindigkeit und den Umfang der vertikalen Stoff- und Energieflüsse, die sich in den Luftschichten abspielen.

Nun verhält es sich jedoch so, dass die Schicht, die durch ein gestörtes Temperaturprofil gekennzeichnet ist und bis in eine Höhe von rund drei Metern reichen kann, die darüberliegenden Turbulenzen abpuffert. Dies muss bei der Abschätzung der Bodenoberflächentemperatur berücksichtigt werden, um Fehler zu vermeiden.

Vielfältige Messverfahren

Die Bayreuther Klimaforscher haben deshalb bei ihren Messungen in der Arktis gezielt darauf hingearbeitet, die Bodenoberflächentemperatur durch vielfältige Messverfahren und -instrumente möglichst zuverlässig abzuschätzen. Für Messungen in den bodennahen Schichten haben sie Windmesser und Thermohygrometer, aber auch Laser-Szintillometer eingesetzt. Hierbei werden mithilfe von zwei parallelen Laserstrahlen, die in einer Höhe von 1,5 Metern die Luftschicht über dem schneebedeckten Boden durchqueren, Wärmeflüsse in Bodennähe gemessen.

„Je genauer man den Einsatz von Messinstrumenten und Messverfahren den spezifischen klimatischen Verhältnissen anpasst, desto zuverlässiger lässt sich die Temperatur am Erdboden berechnen“, erklärt Lüers. „Und damit steigt auch die Zuverlässigkeit von Wetter- und Klimamodellen.“ Für die Bodenoberfläche in Spitzbergen haben die Forscher aus Bayreuth eine Temperatur von bis zu minus 15 Grad Celsius ermittelt.

• www.bayceer.uni-bayreuth.de