Eine wissenschaftliche Auswertung des Regenbogens

Wolken stellen nach wie vor einen der größten Unsicherheitsfaktoren in Klimaprognosen dar. Neue und innovative Methoden der Wolkenbeobachtung sind daher weiterhin gesucht. Seit einigen Jahren ist ein Team des MIM mit dem hauseigenen Kamerasystem specMACS bei Flugzeugmesskampagnen zu diesem Zweck im Einsatz. specMACS wird dafür in das deutsche Forschungsflugzeug HALO eingebaut und erkundet während der Forschungsflüge die Wolken von oben. Das Instrument besteht aus zwei Spektralkameras und zwei Polarisationskameras.

Die Nutzung von Polarisationsmessungen erfreut sich seit einigen Jahren zunehmender Beliebtheit, da sehr direkt die Eigenschaften von Wolkenpartikeln fernerkundet werden können. Ein Weg Informationen zu gewinnen ist die Auswertung der Details des Regen- bzw. Wolkenbogens. In Polarisationsmessungen ist der Wolkenbogen deutlich besser sichtbar. Der Wolkenbogen entsteht durch Streuung von Sonnenlicht an Flüssigwassertröpfchen. Im oberen Bild sieht man eine specMACS Messung eines Wolkenbogens. Das linke Bild zeigt die gemessene Helligkeit wie sie auch das Auge wahrnimmt. Der Wolkenbogen ist kaum zu sehen. Das rechte Bild zeigt den Polarisationsgrad, und in ihm ist bei einem Streuwinkel von 140° der Wolkenbogen deutlich zu erkennen. Die Größe, Form und Intensität des Wolkenbogens hängt von der Tröpfchengrößenverteilung in der Wolke ab. Beobachtete Wolkenbögen lassen sich mit Simulationen vergleichen und auf dieser Basis können dann Größenverteilung der gemessenen Wolkentröpfchen abgeleitet werden. Diese Methode haben wir nun verwendet, um die Tröpfchengrößenverteilung aus specMACS Daten der EUREC4A Kampagne (Barbados, 2020) abzuleiten. Die Tröpfchengrößenverteilung hat einen wichtigen Einfluss auf den Strahlungseffekt von Wolken und bestimmt maßgeblich, wie Wolken mit Strahlung interagieren. Die Daten und die Methode wurden in einer Studie (Pörtge et al., 2023) anhand von zwei Fallbeispielen veröffentlicht. Die folgende Abbildung zeigt die abgeleiteten effektiven Radien und Varianzen der Größenverteilung, sowie die stereographisch bestimmte Wolkenhöhe (Kölling et al., 2019) derselben Wolkenszene wie oben.

Die specMACS Daten liefern ein hochaufgelöstes, zweidimensionales Bild der Wolkensituation und der abgeleiteten wolkenmikrophysikalischen Parameter. In Zukunft soll die Methode auch auf Daten anderer Messkampagnen angewendet werden. Zudem wurden bereits erste Schritte unternommen, um die Polarisationsmessungen auch im Hinblick auf Eiswolken auszuwerten.