Saharastaub-Erkennung mittels Ceilometer
Saharastaub tauchte in den letzten Tagen den Himmel vielerorts in ein milchiges Licht. Heute zeigen wir, wie man die Staubwolke auch vom Boden aus mithilfe von Ceilometern beobachten konnte.
Nicht nur neue Temperaturrekorde für Februar und das frühlingshafte Wetter, sondern vor allem der Saharastaub dominierte in den letzten Tagen die Schlagzeilen der Wetternachrichten und schaffte es am Wochenende sogar in den eher nüchternen Wetterbericht am Ende der Tagesschau. Ausgehend von einem Staubsturm über Algerien machte sich der Saharastaub über dem Atlantik auf den Weg nach West- und Mitteleuropa und erreichte Deutschland am vergangenen Montag (siehe Tagesthema vom Vortag). Statt strahlendem Blau verpasste er vor allem in der Westhälfte dem Himmel einen milchigen Schleier (gut zu erkennen im beigefügten Satellitenbild). Durch die verminderte Einstrahlung wurden zudem die Nachmittagstemperaturen etwas gedämpft und die Sonnenauf- und Untergänge waren regional farbenprächtiger als üblich.
Da die Staubwolke in diesem Fall sehr viele feinste Staubpartikel enthielt, konnte man sie also sogar mit bloßem Auge erkennen. Noch viel detailreicher wurde der Saharastaub allerdings von den sogenannten “Ceilometern” erfasst, die unter anderem an den hauptamtlichen Wetterstationen des DWD eingesetzt werden.
Ein Ceilometer (engl. ceiling = Wolkenuntergrenze) ist in erster Linie ein Gerät zur automatischen Bestimmung der Wolkenhöhen oder, genauer gesagt, zur Messung der Wolkenuntergrenze (Wolkenbasis). Das Ceilometer basiert auf dem Prinzip eines LIDARS (LIght Detection And Ranging), also einer optischen Abstandsmessung von atmosphärischen Bestandteilen. Es dient hauptsächlich zur Detektion von Wolken, die aus Wassertröpfchen oder Eispartikeln bestehen. Der Wolkenhöhenmesser sendet einen vertikal nach oben gerichteten pulsierenden Laserstrahl aus, der insbesondere an der Wolkenbasis von den Wolkenpartikeln wieder teilweise zum Messgerät zurückgestreut wird. Da sich der Laserstrahl mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, kann aus der Laufzeit vom Ceilometer zum Wolkenpartikel und wieder zurück zum Ceilometer dessen Entfernung und somit die Höhe der Wolkenbasis bestimmt werden. Das Ceilometer arbeitet also nach einem ähnlichen Messprinzip wie ein Niederschlagsradar, blickt jedoch vertikal nach oben und ist sensitiv auf kleinste Wolkentröpfchen und Eispartikel. Das Niederschlagsradar hingegen dreht sich nahezu horizontal um seine Achse und sendet anstelle eines Laserstrahls Radiowellen aus, welche sensitiv auf größere Tropfen und Eiskristalle sind, die als Niederschlag zu Boden fallen.
Moderne Ceilometer erfassen aber noch mehr als nur die Höhe von Wolken, wofür sie hauptsächlich an DWD-Messstationen eingesetzt werden. Der Laserstrahl wird nämlich nicht nur von Wolkenpartikeln zurückgestreut, sondern auch von anderen Bestandteilen der Luft (sogenannten Aerosolen), die eine ähnliche Größe wie Wolkentröpfchen und Eispartikel besitzen. So eignet sich ein Ceilometer auch zum quantitativen Nachweis von Ruß- und Staubpartikeln in der Grenzschicht, der unteren Atmosphärenschicht. Ebenso kann die Konzentration von Vulkanasche oder Staubpartikeln in unterschiedlichen atmosphärischen Höhen gemessen werden, womit wir wieder beim Ausgangsthema wären – dem Saharastaub.
In beigefügter Grafik werden Rückstreuprofile von Ceilometern an mehreren Orten in Deutschland vom vergangenen Montag zwischen 0:00 und 15:55 Uhr (GMT) gezeigt (größere Abbildungen erhalten Sie über unserem Facebook- und Twitter-Kanal). Sie geben jeweils die Stärke des zurückgestreuten Lasersignals von Partikeln in unterschiedlichen Höhen wieder, woraus man neben den Wolkenhöhen auch auf die Staubkonzentration in der Luft schließen kann.
Das Ceilometer in Mannheim zeigt eindeutig, dass die Saharastaubwolke gegen 5:00 GMT (6 Uhr MEZ) in einer Höhe von etwa 2 Kilometern ankam, sich tagsüber in einer Höhe von etwa 2 bis 4 Kilometern ausbreitete und sich deren Staubkonzentration weiter erhöhte. Außerdem befanden sich ab den Morgenstunden in 8 bis 10 Kilometern Höhe Cirren (Schleierwolken) am Himmel, an deren Eispartikeln der Laserstrahl ebenfalls zurückgestreut wurde. Der genaue Betrachter erkennt sogar, dass sich direkt über dem Boden eine wenige Hundert Meter dicke Dunst- oder Aerosolschicht befand.
In Emden breitete sich die Staubwolke schon in der Nacht zum Montag aus. Ganz anders sieht es hingegen im knapp 200 km weiter östlich gelegenen Hamburg aus, wo der Saharastaub erst in den Mittagsstunden aufschlug. Völlig von Saharastaub (und Wolken) verschont blieb hingegen der Osten und Südosten Deutschlands. Beispielhaft ist das Rückstreuprofil von Potsdam abgebildet. Die grünlichen Farben belegen, dass die Aerosol- und Staubkonzentration in allen Höhen recht gering war.
Bei der Grafik für Bamberg könnte man auf den ersten Blick meinen, dass Messgerät sei über viele Stunden ausgefallen. Schaut man jedoch genauer hin, sieht man, dass etwa zwischen 1:00 und 12:30 GMT (2:00 und 13:30 MEZ) eine kompakte Nebel- bzw. Hochnebelschicht (siehe Satellitenbild vom frühen Nachmittag) dafür sorgte, dass das gesamte Lasersignal nur wenige Höhenmeter über dem Boden komplett von den Nebeltröpfchen zurückgestreut wurde. Etwaiger Saharastaub oder Wolken in größeren Höhen konnten nicht mehr erfasst werden. Nach Auflösung des Hochnebels zeigte sich dann aber auch dort eine wenn auch schwächere Staubkonzentration.
Zuletzt ist noch das Profil von Trier abgebildet. Neben dem Saharastaub in der mittleren und den Cirren in der oberen Troposphäre erkennt man hier noch ein weiteres Phänomen. Ab den Mittagsstunden waren die Staubkonzentration und die Luftfeuchtigkeit sogar hoch genug, dass der Saharastaub in etwa 3 Kilometern Höhe die Bildung von mittelhohen Wolkenfeldern auslöste. Die zahllosen Staubpartikel dienten als Kondensationskeime, also als Andockstation für Wasser- und/oder Eispartikel, wodurch sich ausgedehnte Wolkenfelder bildeten, die im Westen den Blick auf die Sonne versperrten.
Wie Sie sehen, gaben uns die zahlreichen Ceilometer in Deutschland Aufschluss über die Konzentration, Höhe und Dicke der Saharastaubwolke. Nun zieht der Saharastaub aber ab, sodass wieder die eigentliche Aufgabe dieser Messgeräte in den Vordergrund rückt – die Bestimmung von Wolkenhöhen.
Dr. rer. nat. Markus Übel (Meteorologe)
Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 24.02.2021
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