Prof. Dr. Markus Rapp: Sicheres und umweltschonendes Fliegen

Extreme Umweltphänomene wie die Eruption des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull, aber auch weniger dramatische Effekte wie Turbulenzen und Eisbildung, beeinflussen nachhaltig den Luftverkehr. Am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre entwickeln Forscher Methoden und Produkte, die sichere Informationen über klimarelevante Phänomene in der Luftfahrt liefern.

Entwicklungen in Wirtschaft und Gesellschaft wirken sich unmittelbar auf den lokalen und globalen Verkehr aus. Insbesondere dem Lufttransportsystem erwachsen daraus immer neue Herausforderungen, wobei die As­­pekte Sicherheit, Effizienz und Umweltschonung drei Kernthemen der aktuellen Forschung sind. Zum einen wird der Luftverkehr durch verschiedene Wettersituati­onen heute schon gestört und künftig, bedingt durch den Klimawandel, vermutlich noch stärker beeinflusst, zum anderen trägt er selbst mit zu diesem Klimawandel bei.

Aufgrund der dem Luftverkehr eigenen sehr langen Ent­­wicklungszyklen erfordern neue und alternative Verkehrs­konzepte, die diese Zusammenhänge stärker beachten, einen entsprechenden Vorlauf und müssen frühzeitig analysiert und bewertet werden. Andererseits verfügen wir heute über Werkzeuge und Produkte, beispielsweise in der Meteorologie, die schon im jetzigen Lufttransport­system genutzt werden können. Am Institut für Physik der Atmosphäre (IPA) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen bei München werden Methoden, Produkte und Instrumente entwickelt, die maßgeschneiderte und standardisierte Informationen über sicherheits- und klimarelevante Phänomene im Luft­­­raum liefern, wie Vulkanasche, Gewitter, Vereisungsge­biete und klimasensitive Regionen.

Der Ausbruch des Vulkans Eyjafjallajökull auf Island im Jahr 2010 hat die Verwundbarkeit des Lufttransport­systems deutlich vor Augen geführt. Mehr als 100.000 Flüge mussten abgesagt werden, was einen wirtschaftlichen Schaden von ungefähr zwei Milliarden Euro allein im Luftfahrtsektor zur Folge hatte. Vulkanasche im Luft­raum stellt eine erhebliche Gefahr für Flugzeuge dar. Ein Einflug in eine Aschewolke kann die Triebwerke und andere Flugzeugkomponenten schädigen, bis hin zum Triebwerksausfall. Die Sperrung der Lufträume beim Eyjafjallajökull-Ausbruch beruhte auf Modellvorhersagen der Ascheausbreitung vom Volcanic Ash Advisory Centre, kurz VAAC, in London, die jedoch große Unsicherheiten beinhalteten. Operationelle Messsysteme zur Detektion der Aschewolke standen nicht zur Verfügung. Zur Unter­­stützung der VAAC-Vorhersagen bei künftigen Vulkanaus­brüchen und zur besseren Eingrenzung kontaminierter Lufträume entwickelt das Institut für Physik der Atmos­phäre einen Satellitendatenalgorithmus zur Detektion von Vulkanasche. Damit lässt sich sowohl die Höhe als auch die Konzentration der detektierten Ascheschicht bestimmen und deren weitere Ausbreitung im Zeitraum einiger Stunden vorhersagen. Als Basis dieses Algorithmus dienen die Strahlungsmessungen im infraroten Bereich von operationellen Wettersatelliten mit einer zeitlichen Auflösung von 15 Minuten.

Auch in Zeiten ohne ein solch gravierendes Ereignis wie ein Vulkanausbruch beeinflussen Wetterphänomene wie Turbulenz, Windscherung, Blitze, starker Regen, Hagel und unterkühlte Wolkentröpfchen den Flugverkehr. Sie reduzieren den Passagierkomfort oder gefährden die Sicherheit eines Fluges. Für den Piloten basiert derzeit die Information über störende Wetterphänomene haupt­sächlich auf den sogenannten signifikanten Wetterkarten (SIGMET). Sie werden dem Piloten vor dem Flug bei den Startvorbereitungen überreicht. Diese Daten geben aller­­dings nicht die maßgeschneiderte und verlässliche Infor­­mation wieder, die für einen dezidierten Flug benötigt wird, und sind beim Start schon oft veraltet. Um aus meteorologischer Sicht den heutigen Bedürfnissen der Luftfahrtwirtschaft Genüge zu leisten, konzipiert und entwickelt das Institut für Physik der Atmosphäre ein integriertes System zur Beobachtung und Vorhersage von störenden Wetterphänomenen, genannt WxFUSION. WxFUSION ist ein Expertensystem und kombiniert Daten aus Beobachtung, Kurzfrist(Nowcast)-Werkzeugen und Vorhersagemodellen, um potenziell gefährliche oder störende Wettersituationen zu erkennen, zu verfolgen und für die nahe und fernere Zukunft vorauszusagen. Ziel ist es, sowohl den Betrieb am Boden als auch die Crews in der Luft mit hochaktuellen, konsistenten und kundenorientierten Analysen der interessierenden Wetter­­phänomene und deren Entwicklung zu versorgen. Um einen effizienten und schnellen Prozess der gemeinsamen Entscheidungsfindung auf der Nutzerseite zu unterstützen, wird die Wetterinformation so übermittelt und dar­­gestellt, dass sie keiner Interpretation seitens des Nutzers bedarf, sondern eindeutig und präzise auf die aktuelle und kommende meteorologische Gefahr hinweist.

Ein besonders gefährliches Wetterereignis sind Wolken mit Vereisungsbedingungen. In Höhen unterhalb von etwa acht Kilometern kann Vereisung von Flugzeugen durch Gefrieren von unterkühlten Wassertropfen auf kalten Flugzeugteilen stattfinden. Diese Regionen in hochreichenden Wolken beinhalten eine große Anzahl von kleinen (Durchmesser kleiner als 100 Mikrometer) Eispartikeln. Deshalb registriert das Flugzeugradar, das auf größere Partikel sensitiv ist, beim Anflug auf diese gefährlichen Gebiete nur eine geringe Reflektion. Dies war auch eine der Ursachen für den tragischen Absturz des Air-France-Linienflugzeuges über dem Atlantik in 2009. Das Institut für Physik der Atmosphäre untersucht mit vielen Partnern aus dem Aeronautik-Sektor in einem umfangreichen europäischen Projekt, unter welchen meteorologischen Bedingungen es in hochreichen Wolken zu solchen gefährlichen Vereisungssituationen kommen kann. Zudem werden satelliten- und flugzeuggetragene Warnsysteme entwickelt und erprobt, damit künftig Un­­fälle wie der Air-France-Absturz durch Vereisung in großen Höhen vermieden werden können.

Darüber hinaus beschäftigen sich Forschungsarbeiten am IPA mit Aspekten der Klimawirkung des Flugverkehrs, die von sogenannten Nicht-CO2-Emissionen herrühren. Neben Kohlendioxid tragen auch Kondensstreifen und Ozon, welches durch emittierte Stickoxide gebildet wird, wesentlich zum Klimaeinfluss des Luftverkehrs bei. Kon­­densstreifen etwa bilden sich unter speziellen Bedingun­gen im Nachlauf eines Flugzeugs. Die heißen Flugzeug­abgase vermischen sich dort mit der Umgebungsluft. Wenn die Atmosphäre kalt und feucht genug ist, kommt es zur Kondensation von Wasserdampf an den Partikeln. Die entstandenen Tröpfchen gefrieren auf Flugverkehrs­niveau sehr schnell. Wenn die Umgebungsluft eisübersättigt ist, also sehr viel Wasserdampf enthält, können die gefrorenen Eispartikel weiter anwachsen, der Kon­­densstreifen kann dann über längere Zeit existieren und es können sich daraus unter Umständen sogar großräumige Eiswolken bilden, die sogenannten Kondensstreifen-Zirren. Diese Zirren tragen zur Klimawirkung des Flugverkehrs bei, da sie ähnlich wie natürliche Zirren in den Strahlungs­­haushalt der Atmosphäre eingreifen. Einerseits reflektieren sie einfallende Solarstrahlung (kühlender Effekt), zum anderen behindern sie die thermische Abstrahlung der Erde (wärmender Effekt). Netto ergibt sich im Mittel ein wärmender Effekt. Der Strahlungsantrieb durch Kon­­densstreifen und Kondensstreifen-Zirren wird derzeit im aktuellen Bericht des Weltklimarates (IPCC) mit 50 mW/m2 angegeben, ein Wert in der Größenordnung des Strahlungsantriebes durch CO2 aus dem Flugverkehr. Ein umfangreiches Flugexperiment, um diese Effekte genauer zu untersuchen, wurde im Frühjahr 2014 durchgeführt. Ziel der Messflüge war eine genaue Be­­stimmung der zeitlichen Entwicklung der Mikrophysik und Strah­lungseigenschaften von Kondensstreifen-Zirren.

Aus verkehrsplanerischer Sicht lassen sich viele der ge­­schilderten Phänomene auf ähnliche Weise behandeln: Sie bewirken auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen eine Veränderung des nutzbaren Luftraums an sich und der möglichen Frequenz seiner Nutzung durch einzelne Verkehrsteilnehmer – entweder aus Grün­den der Effizienz bei zumindest gleicher Sicherheit, des Passagierkomforts oder zu Gunsten eines klimaschonenden Fliegens. Die Idee besteht darin, für die Beschrei­bung der Trajektorie neben den vier heute üblichen Para­­metern geografische Länge, Breite, Höhe und Zeit eine fünfte Dimension einzuführen. Dieses zurzeit im IPA ent­­wickelte Konzept trägt den Namen 5D-MET-Advisory, also ein fünfdimensionales meteorologisches Beratungs­­system für den Luftverkehr. Unter der fünften Dimension, der Störung, sollen meteorologische Situationen und Bedingungen verstanden werden, die den Luftverkehr ent­­weder direkt stören, zu besonders klimasensiblen Zonen entlang der Flugstraßen führen oder andere Ereignisse kon­­trollieren. Zur ersten Kategorie gehören Gewitter, Turbu­lenz, Windscherung, Vereisung und Schneefall. Zur zweiten Ka­­­tegorie gehören beispielsweise kalte Regionen mit hoher Eisübersättigung, in denen sich langlebige und damit klimare­­levante Kondensstreifen bilden. Die dritte Kategorie schließ­­­lich beinhaltet die Ausbreitung von Vulkanasche oder Staub­­partikeln sowie den Transport und Zerfall von Wirbelschleppen.

Eine Herausforderung bei der Standardisierung und An­­passung an spezifische Anforderungen stellen dabei die oft sehr unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen der Stö­­rungen dar, die von wenigen Minuten innerhalb einiger Flügelspannweiten (Wirbelschleppe, Turbulenz) bis zu Tagen in großen Regionen (Vulkanasche) reichen können. Wir sehen es als unsere Forschungsaufgabe an, uns diesen komplexen Herausforderungen zu stellen und einen Bei­­trag für eine sichere und nachhaltige Entwicklung des Flugverkehrs zu leisten.

Der promovierte Physiker wurde an der Universität Rostock im Bereich Atmosphärenphysik habilitiert. Von 2000 bis 2007 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) sowie 2005 Gastprofessor an der Universität Stockholm. Von 2008 bis 2012 übernahm er die Professur für Experimentelle Atmosphärenphysik an der Universität Rostock sowie die Leitung einer Forschungsabteilung am IAP, bevor er Di­­rektor des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie Lehrstuhlinhaber für Atmosphärenphysik an der LMU München wurde.