Und jetzt zum Wetter

© Gernot Walter

Turbulenzforscher Eberhard Bodenschatz schießt Laserstrahlen auf Wolken, um zu verstehen, warum es eigentlich regnet. Der Experte für nicht lineare Optik Jean-Pierre Wolf will mit seinen Lasern das Wetter lieber gleich selber machen.

Deutschlands höchstgelegenes Haus ist vollgepackt mit Technik. Das Schneefernerhaus entstand einst als Tourismushotel auf der Zugspitze in 2.656 Meter Höhe. In den 1990er-Jahren jedoch zogen die letzten Hotelgäste aus und es kamen die Wissenschaftler: Das Gebäude wurde zu einem Zentrum für Umweltforschung. Seit Neuestem steht auch ein Ultrakurzpulslaser von TRUMPF auf der Zugspitze. Eberhard Bodenschatz, Professor für Experimentalphysik am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen, hat ihn sich für sein Alpenlabor gekauft: „Mit dem Laser wollen wir die Dynamik von Wassertröpfchen und Eispartikeln in Wolken sichtbar machen und untersuchen.“

Video vom Wirbelpaket

Eberhard Bodenschatz

Foto: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Eberhard Bodenschatz ist Professor für Experimentalphysik am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen. Für sein Labor auf der Zugspitze hat er sich einen Ultrakurzpulslaser von TRUMPF gekauft.

Das Lichtkabel führt vom Laser durch die Labordecke auf ein Dachplateau. Dort steht ein klimatisierter und wasserdichter Behälter von der Größe einer Bierkiste auf einer sieben Meter langen Schiene. In der Kiste befinden sich vier Hochgeschwindigkeitskameras. Die Forscher im Labor und das Messgerät auf dem Dach warten auf schlechtes Wetter.

Wenn das Plateau dann in eine Wolke gehüllt ist, kann die Datenerfassung beginnen: Die Optik weitet den Laserstrahl bis zu einem Durchmesser von fünf Zentimetern und die Lichtpulse strahlen senkrecht in Richtung Kamerabox auf die Wolkenteilchen. Durch die Vorwärtsstreuung blitzen die Teilchen bei jedem Lichtpuls auf. Die Kameras machen davon ein stereoskopisches Bild in rund 60 Zentimetern Entfernung von der Linse. Um einen dreidimensionalen Film der Wolkenteilchen aufzunehmen, fährt die Hightech-Kiste auf den Schienen mit der mittleren Geschwindigkeit der Wolke mit.

Dadurch können die Kameras die einzelnen Wolkenteilchen verfolgen und schießen dabei pro Sekunde 15.000 Bilder. Aus diesen Bildern errechnet der Computer blitzschnell 3-D-Bilder. Schon nach einer Sekunde ist die Messung vorbei. Der Schlitten fährt zurück, alles geht von vorne los. Auf diese Weise filmen die Forscher kleine Wirbelpakete — ein paar Kubikzentimeter groß — und sehen, was alles mit den winzigen Wolkenteilchen in dieser einen Sekunde passiert. „Wir verfolgen mit einer Messung 300 bis 1.000 einzelne Wolkenteilchen mit einer Größe von wenigen Mikrometern. Im Windkanal machen wir das schon lange. Mit unserem neuen Laser werden wir diesen Sommer mit den ersten Messungen an echten Wolken auf der Zugspitze beginnen“, so Bodenschatz.


Die Poesie der Wolken: Das Projekt von Prof. Eberhard Bodenschatz auf der Zugspitze im Video.


Laser als Blitzlicht

Um die Bewegungen der wirbelnden Tröpfchen sichtbar zu machen, braucht das Team um Bodenschatz viel Licht. „Dazu haben wir den Ultrakurzpulslaser. Er liefert bis zu 50.000 Lichtblitze in der Sekunde mit 40 Millijoule pro Puls. Mit diesen Parametern bekommen wir genügend Photonen in den Messbereich und machen die wirbelnden Tröpfchen überhaupt erst sichtbar“, erklärt Bodenschatz. Einen Effekt auf die Wasserteilchen haben die Laserpulse kaum: „Die werden höchstens ein bisschen wärmer. Das beeinflusst die Bewegung nicht.“

Ich will, dass wir endlich turbulente Mischungen verstehen. Wolken sind dafür das perfekte Testfeld.

Prof. Eberhard Bodenschatz, Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Bodenschatz erarbeitet derzeit ein weiteres Experiment, um die Tröpfchenverteilung in den Wolken auf größerer Skala zu untersuchen. Er will eine Hochgeschwindigkeitskamera an ein langes Seil hängen und mit einem kleinen Luftschiff, einem sogenannten Helikite, direkt in eine Wolke fliegen. „Von unten fächern wir Laserlicht auf und schießen mit hochintensiven, grünen Pulsen rund hundert Meter in die Wolke hinein. Das macht die Wirbel sichtbar. Mit dem TRUMPF Laser haben wir endlich eine Strahlquelle, die das packt.“

Drei ungelöste Rätsel

So spannend das Wetter auch ist, Eberhard Bodenschatz geht es um mehr: Er widmete fast sein gesamtes Berufsleben der Erforschung turbulenter Strömungen. „Für dieses physikalische Feld gibt es zwar Gleichungen, aber der Vorgang ist so komplex, dass wir ihn bis heute nur sehr wenig verstehen. Wenn wir dann noch inertiale, also schwere Teilchen in der Turbulenz anschauen, dann fehlen uns sogar die Gleichungen.“ Da hilft nur: Daten von Teilchen in der Turbulenz sammeln und statistisch auswerten. Wolken sind hervorragend geeignet, um diese komplexen Vorgänge zu studieren.

Denn sie kommen in der Natur vor und bestehen aus nur vier Zutaten: Wasserdampf, Eis, Schwebeteilchen — sogenannte Aerosole — und natürlich Luft. „Ich will verstehen, wie in turbulenten Mischungen Kollisionen und Verdampfungen passieren.“ Bodenschatz erhofft sich daraus Rückschlüsse auf andere Mischungsvorgänge, etwa in Meeresströmungen, bei technischen Sprays oder auch in Verbrennungsmotoren.


Wolkenmessung und Wettermanipulation per Laser im Überblick: Im Labor funktionieren all diese Experimente schon. Seit ein paar Jahren wagen sich die Forscher ans echte Wetter.


In einem Dieselmotor zum Beispiel mischen sich bei der Verbrennung Tausende einzelner Komponenten. „Wer die Wolken versteht, versteht auch irgendwann einmal die Verbrennung besser.“ Die Wolken bergen noch ein weiteres Geheimnis: Damit Regen zu Boden fällt, müssen sich viele winzig kleine Wassertröpfchen, die in der Luft schweben, zu einem großen Regentropfen vereinen. Das wirft die ganz grundsätzliche Frage auf: Wie entstehen große Tröpfchen aus kleinen?

„Die Physik kann das derzeit nicht beantworten. Die Tröpfchen sind schwerer als Luft und fliegen bei Wirbeln sozusagen aus der Kurve. Den einzelnen Vorgang versteht man recht gut, aber leider verstehen wir die ‚Straßen‘ der Turbulenz nicht. Die ändern sich andauernd“, erklärt Bodenschatz. „Die Tröpfchen leben auf der wildesten Achterbahn. Wir fragen uns nun, wie viele Zusammenstöße stattfinden und wie dadurch größere Tröpfchen entstehen, die schließlich zu Boden fallen und auf dem Weg noch viele kleine Tropfen schlucken.“

Die Frage, wie sich in Turbulenzen kleine Teilchen zu großen zusammenfinden, ist auch für die Entstehung von Planeten relevant. Ginge es nach dem bislang gängigen Modell, dürfte es im All eigentlich keine Staubklumpen geben, die einen größeren Durchmesser als einen Meter haben, da sie bei Zusammenstößen zerplatzen. Für die schwerkraftgetriebene Zusammenballung braucht man aber mindestens hundert Meter große Staubklumpen. „Wir wissen ja, dass es Planeten gibt. Aber wie ist das möglich? Mit unseren Experimenten zu Teilchen in der Turbulenz hoffen wir, auch der Lösung auf die Spur zu kommen, wie unsere Welt eigentlich entstanden ist.“

Es dauert nicht mehr lange, dann wird uns der Klimawandel so zu schaffen machen, dass die Menschheit aktiv in das Wetter eingreifen wird.

Prof. Eberhard Bodenschatz, Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Zugleich wird das bessere Verständnis von Wolken ganz praktische Folgen haben. Man wird viel genauer vorhersagen können, wann und wo es regnet oder schneit. „Nasswolken regnen bis zu zehnmal früher ab, als es die gängigen Modelle vorhersagen. Ich glaube, dass das etwas mit der Turbulenz zu tun hat.“ Für die Klimaforschung ist Wolkenbildung einer der wichtigsten Faktoren überhaupt. Eine riesige Community arbeitet gerade daran, bessere Klimamodelle zu entwickeln. Bodenschatz’ Arbeit steht auch in diesem Kontext. „Dabei wird es aber nicht bleiben: Es dauert nicht mehr lange, dann wird uns der Klimawandel so zu schaffen machen, dass die Menschheit aktiv in das Wetter eingreifen wird.“

Fokus auf der Streckbank

Jean-Pierre Wolf

Foto: Prof. Jean Pierre Wolf

Jean-Pierre Wolf ist Professor an der Universität Genf und ist Experte für nicht lineare Optik. Er erforscht, wie sich Laserstrahlen nutzen lassen, um Wolken zu beeinflussen und Blitze zu steuern.

An der Universität Genf arbeitet Jean-Pierre Wolf genau daran. Er will Laserstrahlen nutzen, um Wolken zu beeinflussen und Blitze zu steuern. Die Idee kam dem Schweizer Experten für nicht lineare Optik, als er erforschte, wie Luft auf den Beschuss durch Hochleistungslaser reagiert. Sie ionisiert. Das geht auf die sogenannte Kerrinduzierte Selbstfokussierung zurück: Die Feldstärke eines hochintensiven Laserstrahls kann den Brechungsindex der Luft so beeinflussen, dass die Luft selbst wie eine Fokussierlinse auf den Laserstrahl wirkt.

Dadurch entstehen hohe Intensitäten, die die Luft ionisieren. Elektronen werden freigesetzt, die den Laserstrahl wieder defokussieren, und das Spiel beginnt sofort von vorn. Der Laserstrahl bleibt stabil und fokussiert sich selbst immer wieder aufs Neue. „Mit der richtigen Strahlquelle strecken wir den Fokus auf die Länge von hundert Metern“, erklärt Wolf. „Durch die Ionisierung entstehen Plasmakanäle, sogenannte Filamente. Und die können wir nutzen, um das Wetter zu beeinflussen.“

Laser kitzeln Blitze aus den Wolken

Wolf arbeitet derzeit an drei Anwendungen für seine Filamente. Zum einen will er damit Blitze aus den Wolken kitzeln. „Die Filamente lösen Entladungen aus und die Blitze folgen dem Weg des Kanals. Wir können die Blitze also sowohl provozieren als auch ihre Richtung bestimmen“, erklärt Wolf.

So kann Wolf Gewitterwolken auf zweierlei Arten unschädlich machen: Er löst innerhalb der Wolke Blitze aus, die gar nicht erst den Boden erreichen, und entlädt die Wolke so lange, bis sie friedlich ist. Oder er leitet die Blitze per Filament zu einem gewöhnlichen Blitzableiter auf dem Boden. „Der Bedarf an besserem Schutz ist groß: Allein in den USA entsteht durch Gewitter und Blitzschlag ein wirtschaftlicher Schaden von fünf Milliarden Dollar jährlich, meist durch Störungen des Flugverkehrs und Schäden an Flugzeugen oder Hochspannungsleitungen.“

Wolf möchte stationäre Lasersysteme rund um Flughäfen und Kraftwerke errichten, die heranziehende Gewitterwolken entladen, bevor sie gefährlich werden können. „Ich denke, in fünf Jahren werden wir so weit sein. Unter Laborbedingungen funktioniert es perfekt und auch in der Natur haben wir es schon erfolgreich getestet.“ Entscheidend für den Erfolg ist die richtige Strahlquelle. „Wir brauchen einen Femtosekundenlaser mit einer Pulsspitzenleistung von einem Terawatt und einer hohen, stabilen Repetitionsrate von mehr als einem Kilohertz. TRUMPF Scientific Lasers entwickelt gerade so einen Laser für mich.“ Die Zusammenarbeit entstand nach ein paar Probemessungen zur Blitzableitung im TRUMPF Labor in München.


Der Mann, der das Wetter ändern möchte: Prof. Jean-Pierre Wolf erklärt im Video, wir er mit dem Laser das Wetter manipulieren will.


Regen verzögern

Die lasergenerierten Filamente können noch auf andere Weise das Wetter beeinflussen: Wolf wandelt Dampf zu kleinen, schwebenden Wassertröpfchen. Sprich: Er macht Wolken. Damit Dampf in der Luft kondensieren kann, braucht es Oberflächen, an denen der Phasenübergang stattfinden kann: Aerosole, also zum Beispiel Staub oder Sand. „Mit der Ionisierung durch Hochleistungslaser können wir die vorhandenen Aerosole hydrophiler machen. Sie ziehen mehr Feuchtigkeit an und bilden Tröpfchen, wo es vorher noch keine gab“, erklärt Wolf. „Wir können die Wolke allerdings noch nicht zum Regnen bringen. Nachdem wir sie erschaffen haben, lebt sie ihr Leben.“

Wenn wir Laser richtig einsetzen, wird es in Zukunft keine Schäden durch Blitzschlag mehr geben.

Prof. Jean-Pierre Wolf, Universität Genf

Wolf kann unter Laborbedingungen jedoch Nasswolken für eine gewisse Zeit am Abregnen hindern. Hier kommt ihm das von Eberhard Bodenschatz erforschte Prinzip entgegen, dass kleine Tröpfchen nicht niedergehen: Indem Wolf die vorhandenen Aerosole in der Wolke zu wahren Feuchtigkeitsmagneten macht, verteilt sich das Wasser auf mehrere Oberflächen. „Die Tropfen spalten sich auf und sind nicht groß genug, um zu Boden zu fallen. Damit könnten wir in Zukunft Nasswolken so lange am Regnen hindern, bis sie über trockenen Landschaften sind. So könnten wir sowohl Dürren als auch Überschwemmungen verhindern“, beschreibt Wolf seine Vision.

Löcher in die Wolken bohren

Außerdem möchte Wolf mit seinen Filamenten die Kommunikation zwischen Satelliten und Erdboden verbessern. Wolken und Nebel sind da oft im Wege. In seinen Experimenten stieß Wolf auf ein weiteres Phänomen bei der Ionisierung: Der Temperatursprung der Luftmoleküle löst einen Schock aus, der eine plötzliche Schallwelle erzeugt.

„Diese akustische Explosion können wir nutzen, um Tröpfchen in Nebeln und Wolken zu verdrängen. Wir bohren also mit dem langen Laserfokus einen Kanal in die Wolken“. Die Zeit zwischen den einzelnen Schocks muss sehr kurz sein. „Darum kommt es hier auf eine besonders hohe Repetitionsrate an.“ Durch das Wolkenloch könnten Erde und Weltraum ungehindert Informationen austauschen — natürlich auch wieder per Laser.

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