Das Sammeln genauer Wetterdaten in abgelegenen und anspruchsvollen Umgebungen wie den Polarregionen und Bergen kann äußerst schwierig sein. In diesen Gebieten mangelt es oft an der Infrastruktur und den Ressourcen, die für herkömmliche Wetterstationen erforderlich sind, und die rauen Wetterbedingungen können es für Menschen gefährlich machen, auf diese Stationen zuzugreifen und sie zu warten.
Drohnen können in diesen anspruchsvollen Gebieten navigieren, Daten sammeln und an Forscher übermitteln, was sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug zur Schließung dieser Datenlücken macht. Leider stellen Flüge in der Wolke immer noch eine Herausforderung dar, da unterkühlte Wolkentröpfchen durch Vereisung lebenswichtige Drohnenkomponenten beschädigen und sie funktionsunfähig machen können.
Um dieses Problem zu lösen, haben Dr. Jun Inoue und Kazutoshi Sato vom National Institute of Polar Research, Japan, kamen zusammen, um eine kreative Lösung zu entwickeln: Sie integrierten Aerosolzähler an Bord in eine Gruppe von Drohnen, die während der japanischen Antarktis-Forschungsexpedition 2022/2023 eingesetzt wurden.
Die Studie ist veröffentlicht in Atmosphärische UmgebungDie Wissenschaftler nutzten die Aerosolzähler, die typischerweise zur Messung der Partikelkonzentration in der Luft eingesetzt werden, um bei Drohnenflügen das Vorhandensein von Wolken zu erkennen.
„Unter den üblichen Bedingungen unserer Expedition beobachten wir typischerweise Konzentrationen von weniger als tausend Partikeln pro Liter“, erklärte Dr. Jun Inoue. „Wenn wir jedoch auf Vereisungsbedingungen stoßen, sehen wir Konzentrationen von 5.000 Partikeln pro Liter oder sogar mehr.“ Diese Änderung ermöglicht es den Drohnen, gefährliche Bedingungen in Echtzeit schnell zu erkennen und darauf zu reagieren.
Bei der meteorologischen Vertikalprofilierung, bei der Informationen über die atmosphärischen Bedingungen in verschiedenen Höhen erfasst werden, müssen die Drohnen keine großen horizontalen Strecken zurücklegen, sodass bei Vereisung leichter entschieden werden kann, wann ein Abstieg erfolgen soll. Der Aerosolzähler spielt in diesem Szenario eine zentrale Rolle, da er Drohnenbetreibern ermöglicht, zeitnah fundierte Entscheidungen zu treffen.
Um die Zuverlässigkeit dieser Methode weiter zu bestätigen, verglichen die Wissenschaftler die Beobachtungen der Zähler mit Daten, die von einem Lidar-Ceilometer an Bord eines Schiffs gesammelt wurden. Das Ceilometer liefert wichtige Informationen über Wolkeneigenschaften, wie etwa ihre Höhe und ob sie aus Wasser oder Eis bestehen.
Die Autoren untersuchten den abgeschwächten Rückstreukoeffizienten, der angibt, wie Licht von den Wolken reflektiert wird, und konnten einen klaren Zusammenhang zwischen den erhöhten Partikelzahlen, die der Aerosolzähler anhand von 47 Flügen in der Wolke ermittelte, und dem Vorhandensein unterkühlter Flüssigkeitswolken herstellen.
Bei der Hälfte der In-Wolken-Flüge, die Höhen von etwa 1.000 Metern über dem Meeresspiegel erreichten, konnten die Zähler erfolgreich Vereisungszustände erkennen. Diese Informationen halfen den Drohnen, den Flug durch gefährliche Vereisungsverhältnisse zu vermeiden.
Drohnen können ein wertvolles Werkzeug zur Untersuchung der Atmosphäre sein, insbesondere an Orten wie den Polarregionen, und diese Erkenntnisse können unser Verständnis von Wolken und Wetter verbessern. „Durch kontinuierliche Innovation und Zusammenarbeit können Drohnen die meteorologische Forschung revolutionieren und letztendlich unserem Verständnis von Wolken, Wetter und ihren umfassenderen Auswirkungen zugute kommen“, schließt Dr. Inoue.
Mehr Informationen:
Jun Inoue et al., Herausforderungen bei der Erkennung von Wolken in Polarregionen mithilfe einer Drohne mit integriertem kostengünstigen Partikelzähler, Atmosphärische Umgebung (2023). DOI: 10.1016/j.atmosenv.2023.120085
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