Hagelsonden starten in Gewitter, um sie auszuloten

Inspiriert durch den Blockbuster-Film Twister aus dem Jahr 1996 kann ein neuer Sensor in Form eines Hagelkorns im Auge eines Gewitters umherfliegen, um Licht auf die Geheimnisse zu werfen, die hinter dem Wachstum von Hagel stecken.

Nach Angaben des globalen Versicherungsunternehmens Swiss Re kosteten schwere Gewitter, sogenannte schwere konvektive Stürme, im ersten Halbjahr 2023 35 Milliarden US-Dollar oder fast 70 Prozent aller versicherten Naturkatastrophenschäden weltweit. Laut der National Association of Insurance Commissioners sind etwa 60 bis 80 Prozent der versicherten Schäden durch diese starken Stürme auf Hagelschäden zurückzuführen.

Die neuen Sensoren, „Hagelsonden“ genannt, sind so konzipiert, dass sie bei Stürmen frei umherfliegen und sich wie echter Hagel verhalten.

Wenn es um alle Arten von Niederschlägen geht, die mit diesen heftigen Stürmen einhergehen, ist Hagel jedoch am wenigsten bekannt. Dies liegt daran, dass noch viel darüber unbekannt ist, wie sich diese Eisbälle in den verschiedenen Bereichen jedes Sturms bewegen und wachsen.

Im Film Twister versuchten Forscher, Wettersensoren im Herzen eines Tornados einzusetzen, um mehr über die Katastrophen zu erfahren. Im wirklichen Leben haben Wissenschaftler eine Vielzahl von Sensoren zur Analyse von Stürmen eingesetzt – zum Beispiel Drohnen und Hochgeschwindigkeitskameras, entweder am Boden oder in einigen hundert Metern Höhe, sagt Joshua Soderholm, Gewitterforscher am Australian Bureau of Meteorologie in Melbourne, der bei der Entwicklung des neuen Sensors mitgewirkt hat.

Im Film Twister aus dem Jahr 1996 opfern Sturmjäger, gespielt von Helen Hunt und Bill Paxton, fast alles, um Schwärme datensammelnder Partikel loszulassen, die von einem Tornado aufgesaugt werden und Daten zurückstrahlen. Jetzt testen australische und kanadische Wissenschaftler eine ähnliche Idee für Gewitter. Universal Pictures/Alamy

Allerdings wird das Sammeln von Daten innerhalb von Gewitterwolken „aufgrund der unglaublichen Winde, des großen Hagels und der extremen Vereisungsbedingungen viel schwieriger“, erklärt Soderholm. Zwei frühere Versuche, Sensoren bei Stürmen einzusetzen, umfassten ein inzwischen ausgemustertes gepanzertes T-28-Flugzeug der South Dakota School of Mines and Technology und ballongebundene Sensoren, sogenannte „Swarmsondes“, sagt er.

Im Gegensatz dazu sind die neuen Sensoren, sogenannte „Hagelsonden“, so konzipiert, dass sie bei Stürmen frei umherfliegen und sich wie echter Hagel verhalten. Jede Sonde hat die Form eines Hagelkorns – eine 24 Gramm schwere Kugel mit einer Breite von 6,5 Zentimetern, eine modifizierte Version des Windsond S1 von Sparv Embedded in Linköping, Schweden. Obwohl sie mit Ballons gestartet werden, werden die Hagelsonden freigesetzt, sobald die Aufwinde innerhalb von Stürmen stark genug sind, um die Sensoren in der Luft zu halten.

Die Hagelsonden messen nicht die Flugbahn oder den Zustand tatsächlicher Hagelkörner. Stattdessen verhalten sie sich ähnlich wie echte Hagelkörner innerhalb eines Sturms und „sammeln Informationen darüber, wie Hagel wächst und durch Winde und Stürze bewegt wird“, sagt Soderholm. „Durch die sorgfältige Gestaltung der Hagelsondenhülle und die Optimierung der Sensoren war es nicht nur möglich, diese Bedingungen zu überstehen, sondern auch wertvolle Messungen zu sammeln.“

Die Hagelsonde besteht aus 3D-gedruckten Teilen, einer Batterie und Elektronik, die von einer Polystyrolhülle umgeben sind. Joshua Soderholm/Australia Bureau of Meteorology

Soderholm kam auf die Idee der Hagelsonde, weil er sagt, dass es ihm Spaß macht, zu untersuchen, wie neue Technologien seinem Fachgebiet der Gewitterwissenschaft zugutekommen könnten, „insbesondere für die Messung von Prozessen, von denen man früher dachte, dass sie aufgrund technologischer Hindernisse nicht realisierbar seien“, bemerkt er. Dazu gehört das 3D-Scannen von Hagelkörnern, um Aufschluss darüber zu geben, wie sie sich innerhalb von Stürmen entwickelt haben und wie sie auf dem Radar aussehen. Verwendung von Computer Vision zur Analyse von Querschnitten von Hagelkörnern, um daraus abzuleiten, wie sie gewachsen sind; und mithilfe von Drohnen die Form von Hagelkörnern in der Luft untersuchen.

„Die Idee zur Hagelsonde entstand, nachdem ich einige neue Arbeiten zur Simulation von Hagelflugbahnen von meinem Kollegen Matt Kumjian gesehen hatte“, sagt Soderholm. „Ich wollte unbedingt wissen, ob die Simulationen realistisch waren, aber wir hatten keine Ahnung, also begann ich über eine Möglichkeit nachzudenken, Messungen zu sammeln.“

„Ich glaube, meine Forschung unterstreicht das unglaubliche Potenzial von Beobachtungen, Datenlücken zu schließen, die wir zuvor für unmöglich gehalten hatten. Moderne Werkzeuge wie 3D-Druck, Python, das Internet der Dinge und Einplatinencomputer ermöglichen ein schnelles Prototyping ohne Doktortitel.“ . im Ingenieurwesen.“– Joshua Soderholm, Australian Bureau of Meteorology

Möglich wurden die neuen Geräte durch die jüngsten Fortschritte bei miniaturisierten Wettersensoren von Sparv Embedded. „Dazu gehören wesentliche Komponenten wie die Batterie, GPS, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren sowie Telemetrie“, sagt Soderholm. Insgesamt wiege der Akku nur 1,9 Gramm und die Elektronik 9 Gramm, stellt er fest.

„Außerdem haben wir uns beim Prototypenbau und bei der Produktion stark auf den 3D-Druck verlassen, was die Kosten auf ein Minimum beschränkt“, sagt Soderholm.“ Unser Team hat keine technologischen Entdeckungen gemacht, sondern bestehende, aber kürzlich entwickelte Ansätze kombiniert, um das Hagelsondendesign zu erreichen. Das erforderte auf jeden Fall etwas Kreativität, Risikobereitschaft – wir hatten keine Ahnung, ob es bei einem Sturm richtig funktionieren würde – und viel harte Arbeit, ohne etwas vorzuweisen.“

Die Forscher testeten die Hagelkörner kürzlich zum ersten Mal in der Nähe der Stadt Olds im Zentrum von Alberta, Kanada. „Jeden Morgen gab unser Feldkoordinator Briefings zur Wettervorhersage und wir trafen Entscheidungen über die besten Zielregionen für den Tag“, erinnert sich Soderholm. „Diese Regionen könnten überall von unserer Hintertür oder drei Autostunden entfernt liegen.“

Im Laufe des Tages überwachten die Wissenschaftler sich entwickelnde Stürme anhand von Satelliten- und Radardaten sowie visuellen Hinweisen. Als die Stürme zunahmen, „waren ein sicherer Fahrer und ein guter Navigator entscheidend, um die richtige Position einzunehmen“, sagt Soderholm.

„Die letzten Voraussetzungen sind ein gut funktionierender Sturm und ein gutes Straßennetz“, fügt Soderholm hinzu. „Stürme können innerhalb von Minuten schwächer werden oder ihre Richtung ändern, und das ist oft nicht ganz vorhersehbar, und ohne gute Straßen kommt man nicht sehr weit.“ Trotz der großen Anzahl an Hagelstürmen in Kanada trafen alle diese Bedingungen nur an einem Tag aufeinander.“

Am 24. Juli gegen 16:30 Uhr führten die Forscher den ersten erfolgreichen Flug auf den Hagelsonden durch, indem sie einen starken Sturm abfingen, der riesigen Hagel erzeugte, und zwei Raketen in ihn abfeuerten. Die Geräte lösten sich in einer Höhe von etwa 3,5 Kilometern von ihren Ballons, wobei Windgeschwindigkeiten von mehr als 120 km/h die Sensoren in Höhen von mehr als 7 Kilometern hoben.

„Ich glaube, meine Forschung unterstreicht das unglaubliche Potenzial von Beobachtungen, Datenlücken zu schließen, die wir zuvor für unmöglich gehalten haben“, sagt Soderholm. „Innovationen in der Meteorologie sind in der Regel recht langsam, da viele davon auf teurer und sehr komplizierter Hardware basieren – zum Beispiel Satelliten und Wetterradargeräte. Moderne Tools wie 3D-Druck, Python, das Internet der Dinge, Einplatinencomputer usw. ermöglichen ein schnelles Prototyping ohne Doktortitel. im Ingenieurwesen.“

Die Tatsache, dass die Wissenschaftler die genaue Größe und Form einer Hagelsonde kennen, „ist sehr nützlich, wenn sie ihr Verhalten nach einem Hagelsturm simulieren“, sagt Soderholm. Allerdings „kann Hagel in vielen verschiedenen Regionen des ursprünglichen Sturms unter unterschiedlichen Bedingungen wachsen und wird von unterschiedlichen Winden bewegt, was zu den oft großen Größen- und Formenunterschieden führt, die man am Boden sieht.“ Daher seien viele Hagelsondenstarts in verschiedenen Sturmregionen erforderlich, bevor die Wissenschaftler fundiertere Schlussfolgerungen über die Art und Weise ziehen könnten, wie Hagel entsteht und sich entwickelt, sagt er.

Die Wissenschaftler planen nun, ihre Arbeit von zwei Sonden in einer Sturmregion auf mehrere Sonden in verschiedenen Sturmregionen auszuweiten, stellt Soderholm fest. Außerdem wollen sie Stürme mit der besten Wetterradarabdeckung priorisieren, „da wir dadurch neue Ideen testen können, um Hagelkörner besser zu simulieren“, stellt er fest. Dies könnte durch das kanadische Northern Hail-Projekt, das deutsche LIFT-Projekt und das geplante US-amerikanische ICECHIP-Projekt geschehen, fügt er hinzu.

„Sobald wir eine große Stichprobe von Hagelflugbahnen haben, erwarten wir, neue Erkenntnisse über das Hagelwachstum im Hinblick auf Wetterradarbeobachtungen zu gewinnen, die die Entwicklung neuer und genauerer Werkzeuge für die Vorhersage von Hagel und die Bereitstellung von Warnungen ermöglichen werden.“ Sagt Söderholm.