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Technologie

2.5.07 Regenmacher in Israel – Geimpfte Wolken erhöhen die Niederschläge

Bislang sind die Versuche, die Regenniederschläge in Trockengebieten durch menschliche Eingriffe gezielt zu erhöhen, nicht sehr erfolgreich – trotz langjähriger, weltweiter Forschungen. Wissenschaftlern aus Deutschland und Israel ist es in einem Projekt gelungen, sich diesem Ziel deutlich zu nähern: Ihre Simulationen zeigen, dass die Niederschläge zunehmen, wenn die Wolken mit geeigneten winzigen Teilchen „geimpft“ sind.

Israel ist einer der wasserärmsten Staaten der Welt. Dennoch ist Wasser der entscheidende Wirtschaftsfaktor des Landes: Israel hat eine hochproduktive Landwirtschaft, es ist ein Obst- und Gemüse-Exportland. Rund 70 Prozent des verbrauchten Süßwassers dienen der Bewässerung in der Landwirtschaft, infolge des hohen Wasserbedarfs sinkt kontinuierlich der Grundwasserspiegel. Der Jordan entwickelt sich zu einem Rinnsal, weil 85 Prozent seines Wassers für die Versorgung von Menschen und Landwirtschaftsflächen genutzt werden. Dies hat Folgen für den Wasserspiegel des Toten Meers (in das der Jordan mündet): In den letzten 70 Jahren ist der Wasserspiegel bereits um mehr als 20 Meter gesunken – Tendenz zunehmend.

Deutsch-israelische Wassertechnologie-Kooperation

Für Israel – wie den gesamten östlichen Mittelmeerraum – wäre es segensreich, ließe sich über dem Land die Niederschlagsmenge erhöhen. Und genau daran arbeiten Wissenschaftler. Ein vom BMBF unterstütztes Forschungsprojekt des Institute of Earth Sciences der Hebrew University in Jerusalem und des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat den „Regenmachern“ deutlich geholfen: das Projekt „Numerische Untersuchungen zum Einfluss von Aerosoleffekten auf die Niederschlagsdynamik von Wolken in der israelischen Küstenregion“ (Laufzeit: 2004 bis 2008), durchgeführt im Rahmen der deutsch-israelischen Wassertechnologie-Kooperation. Computersimulierte Modellrechnungen zeigen, dass eine künstliche „Impfung“ der Wolken (englisch: Cloud Seeding) vor der israelischen Küste die Regengüsse soweit verzögert, dass bei Westwind vermehrt Niederschlag über dem Land fällt. Optimale Ergebnisse gibt es, wenn Kochsalz-(Meersalz-)Teilchen einer bestimmten Größe in die Wolken gestreut werden.

Satellitenaufnahme der Region (Quelle: visibleearth.nasa.gov)

Satellitenaufnahme der Region (Quelle: visibleearth.nasa.gov)
Satellitenaufnahme der Region (Quelle: visibleearth.nasa.gov)
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Im Mittelpunkt des Projekts standen Aerosolpartikel. Diese kleinen Schwebteilchen befinden sich überall in der Luft und sind die Voraussetzung dafür, dass sich Wolkentropfen bilden und es zu Niederschlägen kommt: In mit Wasserdampf übersättigter Luft wirken Aerosolpartikel als sogenannte Kondensationskerne, an die sich Wasserdampf anlagert, wodurch Tropfen entstehen. Anzahl und Größe der Tropfen hängen von der Zusammensetzung der Kondensationskerne ab. So enthält beispielsweise die Luft in Meeresnähe nur wenige, dafür große Salzpartikel – in den Wolken bilden sich wenige, aber große Tropfen. Luft über dem Festland enthält hingegen viele Aerosolteilchen, die Wolkentropfen sind relativ klein.

Das Projektteam hat festgestellt, dass auch vom Menschen freigesetzte Aerosole die zeitliche Entwicklung, die räumliche Verteilung und die Menge des Niederschlags stark beeinflussen. Schon seit Jahren beobachten die Forscher einen Rückgang der Niederschläge im Bergland von Judäa. Ihre Berechnungen legen nahe, dass dafür die Zunahme anthropogen erzeugter Schwebteilchen verantwortlich ist (etwa Ruß, Staub).

Simulationsmodelle genutzt

Berechnete zeitliche Entwicklung der Regensumme „über Land“ bei Impfung mit hygroskopischen Partikeln. Durchgezogene Linie: Kontrollrechnung ohne Impfung; gestrichelte Linie: Simulation mit Impfung durch Partikel mittlerer Größe

Berechnete zeitliche Entwicklung der Regensumme „über Land“ bei Impfung mit hygroskopischen Partikeln. Durchgezogene Linie: Kontrollrechnung ohne Impfung; gestrichelte Linie: Simulation mit Impfung durch Partikel mittlerer Größe
Berechnete zeitliche Entwicklung der Regensumme „über Land“ bei Impfung mit hygroskopischen Partikeln. Durchgezogene Linie: Kontrollrechnung ohne Impfung; gestrichelte Linie: Simulation mit Impfung durch Partikel mittlerer Größe
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Berechnete zeitliche Entwicklung der Regensumme bei Impfung tiefer Konvektionswolken mit hygroskopischen Partikeln optimaler Größe

Berechnete zeitliche Entwicklung der Regensumme bei Impfung tiefer Konvektionswolken mit hygroskopischen Partikeln optimaler Größe
Berechnete zeitliche Entwicklung der Regensumme bei Impfung tiefer Konvektionswolken mit hygroskopischen Partikeln optimaler Größe
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Um die Wirkung der Aerosoleffekte auf die Niederschlagsbildung zu berechnen, nutzten die Wissenschaftler zwei verschiedene numerische Simulationsmodelle: das komplexe Computermodell „Spectral Bin Cloud Microphysical Module“ (SBM) der Hebrew University sowie das weiterentwickelte Programm „Two-Moment Parameterization“ (TMP) des Karlsruher IMK. Letzteres ist eine grobe (dennoch hinreichend genaue) Beschreibung, um den Rechenaufwand zu reduzieren. Das deutsch-israelische Team stellte die beiden Modelle zunächst mit der Vorhersage natürlicher Wetterprozesse auf die Probe: Sie funktionierten gut, erbrachten zudem vergleichbare Ergebnisse. Anschließend berechneten sie Möglichkeiten, Niederschläge aktiv zu beeinflussen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine künstliche Impfung der Wolken, die sich vor der Küste bilden, die Niederschlagsbildung verzögert. Dadurch entwickelt sich der Regen langsamer und die mit dem Westwind nach Osten verdrifteten Wolken regnen dann über Land aus, meist in Küstennähe (mitunter um bis zu 50 Kilometer landeinwärts).

Partikelgröße ist entscheidend

Entscheidend für die Niederschlagsentwicklung ist die Partikelgröße. Große hygroskopische Teilchen beschleunigen die Regenbildung, kleine verlangsamen sie und vermindern oft die Menge. Mittels Computersimulationen ermittelten die Wissenschaftler die Teilchengröße, die bei der Wolkenimpfung die Niederschlagsmenge am wirkungsvollsten erhöht: Die optimale Größe liegt - abhängigig von Wolkenhöhe und anderen meteorologischen Parametern – zwischen 1,8 und 2,5 Mikrometern. Bei Verwendung hygroskopischer Teilchen dieser Größe lässt sich die Niederschlagsmenge, die über Land abregnet, um 20 bis 25 Prozent erhöhen, während die Gesamtniederschlagsmenge leicht abnimmt.

Um die Modellrechungen mit den tatsächlichen Effekten in der Natur zu vergleichen, wurden in Israel einige Praxistests durchgeführt, bei denen von Flugzeugen aus Salzteilchen mit der rechnerisch optimalen Größe in die Wolken gestreut wurden; die Beobachtungen bestätigten die theoretischen Berechnungen größtenteils.

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK)

Prof. Dr. Klaus Dieter Beheng
Kaiserstraße 12
76128 Karlsruhe
Tel.: 07 21/60 84 35 95
Fax: 07 21/60 84 61 02
E-Mail: klaus.beheng@kit.edu
Internet: www.imk-tro.kit.edu
Förderkennzeichen: 02WT0536
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