Als das Tiefdruckgebiet namens Bernd im Sommer 2021 beschloss, sich über einem Teil Mitteleuropas zu parken, wurden die Gefahren, die mit übermäßigen Niederschlagsereignissen verbunden sind, in Form der daraus resultierenden katastrophalen Überschwemmungen dramatisch deutlich. Wetteraufzeichnungen zeigen, dass extreme Naturereignisse wie Dürren, aber auch Starkregen und Hagelstürme in Folge des Klimawandels hierzulande noch häufiger auftreten dürften. Und ihre Folgen könnten noch verheerender werden. Hagelkörner zum Beispiel können Schäden an Ernten, Fahrzeugen und Gebäuden verursachen und auch für exponierte Menschen und Tiere gefährlich sein. Umso wichtiger ist es, dass Wettermodelle die Möglichkeit und das Ausmaß solcher Niederschläge genauer vorhersagen können. Dazu müssen die numerischen Wettermodelle auf exakt formulierten mathematischen Interpretationen der physikalischen Vorgänge in Wolken basieren.
Der weltweit einzigartige vertikale Windkanal der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) liefert dazu wesentliche Erkenntnisse durch neue Experimente, die mit künstlichen Hagelkörnern aus dem 3D-Drucker durchgeführt werden.
„Was wir bisher gelernt haben, ist, dass die Form von Hagelkörnern ihre Geschwindigkeit vor dem Einschlag bestimmt“, erklärt Dr. Miklós Szakáll vom Institut für Physik der Atmosphäre (IPA) der JGU. Szakálls Team konnte zeigen, dass gelappte Hagelkörner weniger kinetische Energie und damit weniger Zerstörungspotential entwickeln als Hagel mit glatter Oberfläche. Ihre Studie ist in der veröffentlicht Zeitschrift für Atmosphärenwissenschaften.
Hagel und Graupel – mit diesem Begriff werden ausgefällte kleine, weiche Eispellets bezeichnet – entstehen, wenn Wassertröpfchen in Gewitterwolken gefrieren. Begünstigt wird dieser Gefrierprozess durch Turbulenzen und komplexe physikalische Prozesse in diesen Wolken, die sich bis in sehr große Höhen erstrecken können. Diese Eispartikel schmelzen, wenn sie auf dem Weg nach unten wärmere Luftschichten passieren. Das Ergebnis sind große, kalte Regentropfen, die oft die Ursache für extreme Regenfälle sind. Unter der Annahme, dass die Eispartikel keine Zeit haben, vollständig zu schmelzen, bevor sie den Boden erreichen, kommen sie in Form von Hagel oder Graupel an.
Experimente mit natürlichen und künstlichen Hagelkörnern
Die Bedingungen im Inneren von Wolken bestimmen die charakteristische Form, Größe und Masse dieser gefrorenen Tröpfchen. „Bei unseren Experimenten mit natürlichen Hagelkörnern haben wir gesehen, dass sie zu Regentropfen schmelzen, die einen Durchmesser von mehreren Millimetern haben können. Große Hagelkörner können während des Schmelzvorgangs auch platzen und zahlreiche kleine Wassertröpfchen bilden“, fügte Szakáll hinzu. Aus den aufgezeichneten Messungen konnte sein Team Parameter extrapolieren, die sie als Hauptelemente für die numerische Simulation von Wolken und Niederschlag in Computermodellen verwenden konnten.
Das Mainzer Forscherteam stellte im Labor Hagelkörner und Graupelpartikel aus gefrorenem Wasser her. Unter realistischen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen untersuchten die Forscher genau, wie diese im vertikalen Windkanal fielen oder schmolzen. Außerdem stellten sie mit einem 3D-Drucker künstliche Hagel- und Graupelpellets nach dem Vorbild ihrer natürlichen Vorbilder her – sogar die Materialdichte entsprach der von Eis. Damit maßen sie die Freifalleigenschaften der absinkenden Objekte, Faktoren, die für die mikrophysikalischen Prozesse bei extremen Niederschlagsereignissen besonders relevant sind.
Die Hagel- und Graupelpellets wurden im sechs Meter hohen Windkanal frei in einem künstlich erzeugten vertikalen Luftstrom aufgehängt. Ihr Verhalten wurde mit Hochgeschwindigkeits- und Infrarotkameras und einem speziell entwickelten holografischen Bildgebungssystem aufgezeichnet.
„Wenn wir die Erkenntnisse zu mikrophysikalischen Aspekten des Niederschlags, die wir durch diese Experimente gewonnen haben, auf Modelle anwenden, die zur Analyse von Gewitterwolken verwendet werden, können wir besser vorhersehen, was sie tun werden“, erklärt Professor Stephan Borrmann vom IPA und Direktor am Max-Planck-Institut Institut für Chemie. „Dies wird besonders bedeutsam angesichts der voraussichtlichen Zunahme von Extremwetterereignissen wie Dürren und Starkregen, die aufgrund des Klimawandels auch in unseren Breitengraden auftreten werden“, betonte Borrmann.
Die Experimente in Mainz wurden im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts HydroCOMET durchgeführt. Die Ergebnisse wurden in fünf Fachzeitschriften und als Buchbeitrag veröffentlicht.
Die Experten, die die HydroCOMET-Ergebnisse überprüften, bewerteten die in Mainz durchgeführten Laborexperimente und die dazugehörigen Publikationen sehr positiv. Sie betonten insbesondere die wichtige Rolle, die die vorhandene Infrastruktur (dh der vertikale Windkanal) spielt.
Karoline Diehl et al, Experimente im vertikalen Windkanal und eine theoretische Studie zur Mikrophysik des Schmelzens von Graupel niedriger Dichte, Zeitschrift für Atmosphärenwissenschaften (2022). DOI: 10.1175/JAS-D-21-0162.1
Alexander Theis et al, A Wind Tunnel Investigation into the Aerodynamics of Lobed Hailstones, Atmosphäre (2020). DOI: 10.3390/atmos11050494