Die HALO-Kampagne PHILEAS ist ein gemeinsames Projekt von vier Universitäten (Mainz, Frankfurt, und Wuppertal) sowie dem Forschungszentrum Jülich, dem Karlsruher Institut für Technologie und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt.
Im Juni und Juli wird dazu das Forschungsflugzeug HALO in Oberpfaffenhofen für die Mission vorbereiten. Zwischen August und Ende September wird dann in drei Abschnitten die untere Stratosphäre auf ihre Zusammensetzung vermessen. Dazu wird HALO zwei Wochen zu Beginn und eine Woche am Ende von Oberpfaffenhofen aus Flüge über Europa, dem Mittelmeerraum und eventuell dem Mittleren Osten durchführen. In den fünf Wochen zwischen diesen beiden europäischen Phasen wird HALO in Anchorage, Alaska stationiert sein um die Tropopauseregion über dem nördlichen Pazifik zu vermessen.
Hier auf diesem Blog werden die beteiligten Mitglieder des IPAs Neuigkeiten rund um den Kampagnenalltag wiedergeben.
Die Zusammensetzung der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) mit strahlungsaktiven Spurengasen ist ein entscheidender Faktor für das Klima der Erde, da bereits geringfügige Veränderungen in dieser Zusammensetzung zu großen Veränderungen der Oberflächentemperaturen führen. Ein besonders großer strahlungsaktiver Effekt tritt bei Wasserdampf und Aerosolen auf. Obwohl es dringend erforderlich ist, Wasserdampf in numerischen Wettervorhersage- und Klimamodellen korrekt vorherzusagen, ist die Verteilung von Wasserdampf über die Tropopause und in der unteren Stratosphäre (LS) in numerischen Modellen nicht gut quantifiziert und unzureichend eingeschränkt.
Im Sommer und Frühherbst werden große Mengen an Wasserdampf und andere Spurenstoffe im Bereich des asiatischen Sommermonsuns (ASM) zunächst in die obere Troposphäre transportiert. Dort manifestiert sich eine stabile antizyklonale Zirkulation, in der sich Spurenstoffe akkumulieren. Vor allem im Frühherbst wird diese Zirkulation immer instabiler und es spalten sich Filamente ab, die vorwiegend gen Osten über den Pazifik transportiert werden. Dort haben sie dann das Potenzial in die untere Stratosphäre zu gelangen. Dies hat Auswirkungen auf die sog. Asian Tropopause Aerosol Layer (ATAL), eine Aerosolschicht, die zum großen Teil aus Ammoniumnitratpartikeln besteht und das regionale Klima beeinflusst, aber auch auf die Wolkenbildung außerhalb der ASM und sogar der Zusammensetzung der gesamten unter Stratosphäre der Extratropen im Herbst.
Darüber hinaus wird die Zusammensetzung der UTLS-Spurengase über dem östlichen Pazifik im Spätsommer und Herbst von zusätzlichen Wegen beeinflusst: i) quasi-horizontalem Transport über den Subtropen-jetstream, ii) vertikalem konvektivem Transport durch tropische Taifune, die sich in Richtung der Extratropen bewegen, und iii) Transport innerhalb außertropischer Wettersysteme, insbesondere innerhalb sog. warm conveyor belts ("Förderbänder", die warme und feuchte Luft aus der Grenzschicht in die obere Troposphäre transportieren) und Konvektion.
Um die relative Bedeutung dieser Prozesse für die chemische Zusammensetzung der UTLS zu untersuchen, planen wir, die Entwicklung der chemischen Zusammensetzung von Filamenten während des gesamten Lebenszyklus des Eddy-Shedding-Prozesses vom Monsun-Antizyklon zu charakterisieren und insbesondere deren Auswirkungen auf die Gradienten strahlungsaktiver Spurengasarten in der UTLS zu untersuchen.
Beim heutigen Flug wurde der Hintergrundzustand der Höhenregion 12-15 km zwischen Rom und Stockholm vermessen. Laut Vorhersagen sollten sich sehr unterschiedliche Luftmassen aus verschiedenen Ursprungsregionen nachweisen lassen. Ganz nebenbei bot sich die Gelegenheit, während des Rückfluges über Sachsen und Thüringen hochreichende Konvektion und den damit verbundenen Aufwärtstransport durch Gewittern zu untersuchen. Die Piloten von HALO haben exzellente Arbeit geleistet und das System umkreist, sowie den sog. "outflow"-Bereich auf verschiedenen Höhen vermessen.
Heute ist HALO ein zweites Mal in Richtung Levante aufgebrochen. Über dem östlichen Mittelmeer lungern immer noch Monsunluftmassen, die darauf warten, untersucht zu werden. Diesmal wurde ein Filament auf vier Flughöhen mehrfach gekreuzt, um Unterschiede der Zusammensetzung in verschiedenen Höhen zu untersuchen. Auch dieser Flug hat erfolgreich geklappt – alle Instrumente haben funktioniert.
Ganz nebenbei hat Nico seinen Jungfernflug auf HALO absolviert und darf sich in die Ahnengalerie der Nutzlastspezialisten der AG Hoor einreihen - und hat im Flug den CO-Kanal auf Dichtigkeit langzeitgetestet ...
Nico nach der Landung von HALO am 12.08.2023 (Foto: F. Weyland)
Heute ist HALO zu einem Flug nach Norden aufgebrochen, um möglichst ungestörte gealterte Luftmassen zu finden, die noch nicht durch den Monsun beeinflusst worden sind.
Vorher hat HALO eine kurze Exkursion über den Schwarzwald und die schwäbische Alb unternommen, um dabei die Kollegen vom IPA und MPI zu „besuchen“. Diese führen gerade in der Nähe von Albstadt im Rahmen des SFB TPChange mit dem mobilen LABOR MOLA des MPI und einem Ballonexperiment des IPA Vertikal- sondierungen durch. HALO ist in 500 m Höhe knapp an den Kollegen vorbeigeflogen und ist im Luv der Station aufgestiegen, um einen Vergleich mit der Ballonsondierung zu ermöglichen.
Karte des Tieflugs über die bodennahen Messungen und den Aufstiegsbereich des Messballons (Quadrat). Die folgenden Abschitte im Luv der Station ermöglichen Vergleiche der Ballonsondierung und der Flugzeugdaten in verschiedenen Höhen.
HALO beim Überflug der Station in ca. 500 m Höhe (Foto: Ralf Weigel)
Auf seinem weiteren Flugweg konnte HALO auch von Mainz aus beobachtet werden, bevor es die nördliche Spitze Schwedens anpeilte. Während Teile der Crew im Hangar zwischendurch einen Ausflug an den Wörthsee unternahmen, wurde es im Flieger auf den hohen Flightlevels ordentlich warm. Die Kabinentemperatur stieg auf Grund der hohen Außentemperatur in der Höhe (15°C wärmer als normal) auf zeitweise deutlich über 30°C. Mit leichter Verspätung landete HALO gegen 17:15.
Man kann sich jedoch kaum lange ausruhen, am Samstag geht es bereits erneut auf Messflug, diesmal wieder in Richtung Israel mit vermutetem erneuten Monsunluftkontakt.
Monsunluft über dem Mittelmeer: Am Sonntag startet der erste Messflug Richtung Mittelmeer, Israel und Jordanien. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass sich die Vorhersage bestätigt hat und Monsunluftmassen über dem Mittelmeer gelegen haben. Spurengase und Aerosolzusammensetzung und -verteilung zeigen komplett andere Signaturen, als in der ungestörten ‚typischen‘ Hintergrundatmosphäre. Bodennahe Luftmassen aus Fernost (teilweise deutlich verschmutzt) müssen innerhalb weniger Tage nach Europa transportiert worden sein. Dort beginnen sich diese Luftmassen mit dem Hintergrund zu vermischen.
Franzi nach stürmischer Landung und einem erfolgreichen ersten Messflug! Die Vorhersagen haben sich bewahrheitet und wir konnten Monsunluft über dem Mittelmeer beproben.
Die Karte zeigt die Modelvorhersage und den Flugweg, der bis nach Israel und Jordanien führte. Zwischen Kreta und Israel konnte das Monsunfilament auf verschiedenen Höhen mehrfach vermessen werden
Am heutigen Samstag laufen die letzten Vorbereitungen für den Flug am Sonntag. Die neuesten Vorhersagen sehen gut aus, die Instrumente sind einsatzbereit und HALO läuft nun unter voller Zulassung. Dem Start am Sonntag steht, Stand jetzt, nichts mehr im Wege: Volle Missionpower!
Heute ist auch ein eher ruhiger Tag im Hangar, nur wenige Gruppen sind vor Ort, viele haben ihre Vorbereitungen für Sonntag schon am Freitag abgeschlossen. Morgen geht es auch schon früh los, der Hangar öffnet um 05 Uhr für die ersten Gruppen, die ihre Instrumente möglichst lange vor dem Start anmachen wollen.
Für die Mainzer Gruppe, wie die ganze Woche über schon bestehend aus Franzi und Daniel, heißt es heute umziehen. Wir verlassen unsere Herberge am Weßlinger See und ziehen nach Auing über dem Wörthsee. Seen gibt es hier genug, nur spielt das Wetter derzeit weniger mit. Die Temperaturen sind deutlich unter 20 °C und die nächsten beiden Tage sollen auch eher herbstlich werden.
Heute war es soweit, wir haben den ersten Flugplan für PHILEAS bei der Flugsicherung eingereicht. Kommenden Sonntag soll der erste Missionsflug stattfinden. Voraussetzung ist, dass nun die Zulassung bis Samstag abgeschlossen wird und auch die letzten Reparaturen an den Geräten abgeschlossen werden.
Wir starten dann auch gleich mit einem langen Flug in Richtung östliches Mittelmeer, eventuell mit einem Abstecher nach Jordanien über Israel. Ziel ist es eine Luftmasse bei etwa 200 hPa im östlichen Mittelmeer zu erfliegen, die ihren Ursprung in der oberen Troposphäre des asiatischen Sommermonsuns hat. Die Vorhersagen des ClaMS Modells der Jülicher Kollegen zeigt, dass die Luftmasse sich durch ein sogenanntes Shedding event von seinem Ursprungsreservoir ablöst. Der Flug soll dann darüber Aufschluss geben, wie hoch die Werte von Verschmutzungsspurenstoffen im Monsun sind. Später hilft uns das dann abzuschätzen, wie sich die Luftmasse auf ihrem Weg über den Pazifik verändert. Hoffen wir, dass nun alles gut geht und wir am Sonntag Morgen in den wissenschaftlichen Teil der Kampagne starten können. Der Flug wird übrigens den Namen „Bitburg“ tragen. Alle Flüge werden in alphabetischer Reihenfolge nach Städten benannt.
Wir sind in der letzten Woche der Integrationsphase von PHILEAS angelangt. Ab dem kommenden Wochenende sind wir hoffentlich in einem Zustand, um den ersten Missionsflug durchzuführen. Leider hatten letzte Woche nach dem EMV Flug zwei Geräte noch ein paar Probleme, die dazu geführt haben, dass der geplante kurze Testflug Ende letzter Woche nicht durchgeführt werden konnte.
Die Geräte benötigen nun noch ein paar Ersatzteile, die diese Woche eintreffen werden und in der Zwischenzeit wird die Missionszulassung fertig gemacht. Die meisten Instrumentengruppen atmen zu Beginn der Woche nochmal durch, so dass es Montag relativ ruhig war. Das wird sich in den nächsten Tagen allerdings ändern, wenn der Missionsflug vorbereitet wird.
Die Flugplaner der einzelnen Gruppen treffen sich seit Montag nun auch regelmäßig und diskutieren, wo es am Wochenende denn hingehen könnte. Ein erstes Ziel könnte das östliche Mittelmeer sein. Dort befinden sich Luftmassen, die aus dem asiatischen Sommermonsun stammen und noch relativ unverdünnt zu sein scheinen. Der erste Flugplan für einen möglichen Flug am Sonntag muss am Mittwoch eingereicht werden, so dass nun die Köpfe glühen, wie man diese Luftmasse am besten vermessen kann.
Vorhersage für Sonntag, 6.8.2023 eines Tracers, der die Herkunft der Luft aus Südasien zeigt.
Heute war es soweit, HALO hat seinen Jungfernflug mit der PHILEAS Instrumentierung. Der erste Flug ist dafür gedacht zu testen, ob die Instrumente an Bord keinen Einfluss auf die Flugzeugelektronik haben. Dafür werden vor dem Start alle Instrumente ausgeschaltet und erst während des Fluges nach und nach wieder eingeschaltet. Dieser EMV-Flug ist daher eher als Checkflug für HALO anzusehen, aber natürlich auch für die Instrumente, die dann das erste Mal in der Luft betrieben werden.
Der Flug führte nach etwas verspätetem Start nach Ostdeutschland, vorbei an Berlin bis nach Rügen. Die Systemchecks wurden auf Flugfläche (FL) 320, das sind in etwa 9,8 km Höhe, in dem Gebiet zwischen Berlin, Rügen und Hamburg durchgeführt bevor es wieder zurück nach Oberpfaffenhofen ging. Der Flug wurde erfolgreich beendet, was wiederum wichtig ist, um die endgültige Zulassung zur Durchführung von wissenschaftlichen Messflügen zu erhalten.
Für UMAQS war Franzi heute mit an Bord von HALO und hat wiederum ihren Erstflug hinter sich gebracht. Soverän hat sie dabei die Instrumente UMAQS und BAHAMAS während des Fluges betreut sowie sich um die Kommunikationssoftware PLANET gekümmert. Der Tradition der AG Hoor folgend gab es dann am Boden dafür ein kleines Präsent in Form einer Schultüte, die von Hans-Christoph und Daniel überreicht wurde.
HALO wartet auf die Freigabe für den EMV-Flug (Foto; D.Kunkel)
HALO beim Start (Foto: D. Kunkel)
Franzi nach ihrem ersten Flug mit Schultüte und vor HALO. (Foto: H.-C. Lachnitt)
Unser Arbeitsalltag hier beginnt früh morgens um 8:30 mit einem Meeting aller beteiligten Wissenschaftler:innen und Ingenieur:innen, in dem besprochen wird, wer welche Arbeiten durchführt wird, welche Hilfe dafür benötigt wird, sowie welche Deadlines und Flüge in den nächsten Tagen stattfinden. Danach geht es an den besten Arbeitsplatz der Welt: Quasi unter den Tragflächen des Flugzeugs haben wir uns auf Labortischen ausgebreitet und arbeiten mit dem Flieger zur Rechten und Blick auf die Landebahn an Vorbereitungen für die Kampagne.
Seit dem letzten Blogeintrag sind wir dem Kampagnenstart um einiges näher gekommen. Alle Instrumente sind mittlerweile eingebaut, was man auch daran merkt, dass man quasi nur noch gebückt und im Slalom durch das Flugzeug laufen kann. Damit rückt auch der erste Testflug immer näher. Nächsten Dienstag soll der erste EMV-Flug starten, das bedeutet dass während des Fluges alle Geräte auf potentielle elektromagnetische Störfaktoren untersucht werden. Ziel ist es, damit die Zulassung der Messgeräte zur Kampagne zu finalisieren, die bereits in etwas mehr als zwei Wochen starten soll.
Test im Flugzeug (Foto: J.Blumenroth)
Daher laufen die weiteren Vorbereitungen aktuell auf Hochtouren. Unser Arbeitsalltag besteht primär daraus, dass Flight-Operator:innen und Ground-Crew den richtigen Umgang mit dem Gerät einüben, damit während des Fluges und insbesondere in Stresssituationen jeder Handgriff sitzt. Aber natürlich messen wir auch täglich mit unseren beiden Geräten UMAQS 2 und UMAQS 3, um die Eigenheiten des Gerätes zu erlernen und um möglicherweise auftauchende Fehler frühzeitig beheben zu können.
Da es mit zwanzig Forschenden gleichzeitig im Flugzeug etwas zu eng werden würde, sind wir nur zum Ein- und Ausschalten des Gerätes im Flugzeugbauch und führen alle weiteren Tätigkeiten von außerhalb via Remote-Desktop durch.
HALO im Hangar (Foto: J.Blumenroth)
Ein typischer Arbeitsalltag endet zwischen 17:00 und 18:00 Uhr, meist mit einem abschließenden Update-Meeting. Nach dem Motto „Arbeiten wo andere Urlaub machen“ nutzen die sportlich veranlagten den Feierabend zur Badeeinheit im direkt neben der Ferienwohnung liegenden Badesee oder alternativ zum entspannten Spaziergang um den See.
Text und Fotos: Jonas Blumenroth
In dieser Woche startet die Integration der ersten Geräte in HALO. Aus Mainz wird dabei das UMAQS Instrument der AG Hoor eingebaut. UMAQS steht für University of Mainz Airborne QCL Spectrometer und erlaubt die Messung der Spurengase CO (Kohlenmonoxid), N2O, (Lachgas), CH4 (Methan) und C2H6 (Ethan). Heiko und Nico begleiten den Einbau des Instruments. Aus Mainz wird nächste Woche noch ERICA aus der AG Borrmann eingebaut mit Hilfe dessen man die Aerosolzusammensetzung bestimmen kann. Insgesamt werden 14 Instrumente in HALO für PHILEAS eingebaut, die nicht nur erlauben die Zusammensetzung am Flugzeug zu messen, sondern mittels Fernerkundung auch in größerer Entfernung.
