Präzise Messungen auf dem Gipfel

Die Physikalisch-Technische Bundes­anstalt (PTB) startet den Betrieb von drei Experimenten in Deutschlands höchst­gelegener Umwelt­forschungs­station, dem Schnee­fernerhaus auf der Zugspitze. Sie nutzt die besonderen Bedingungen an diesem Ort für Messungen, die relevant für die Umwelt- und Klimaforschung sind: Messungen von Ruß­partikeln in der Luft, von Molekülen in der Mesopause und von natürlicher Neutronen­strahlung. Alle drei Projekte stehen für das gemeinsame Ziel der Metrologie für den Klimaschutz: dafür zu sorgen, dass Mess­ergebnisse vergleichbar sind und man sich auf sie verlassen kann.

Es gibt nur wenige Orte auf der Erde, an denen die vom Menschen verursachte Verschmutzung gering ist und an denen die Atmosphäre kontinuierlich mit modernsten Instrumenten untersucht werden kann. Einer dieser Orte ist das Schnee­fernerhaus auf der Zugspitze. Die Höhenlage der Messstation ermöglicht die Messung der freien Troposphärenluft. Das Schnee­fernerhaus liegt ein Stück unterhalb des Zugspitzgipfels in 2650 Metern Höhe. Es ist vor rund hundert Jahren zunächst als Hotel gebaut worden und seit 1999 Deutschlands höchstgelegene Umweltmess­station. Die PTB ist seit diesem Jahr eine von mehreren Forschungs­einrichtungen, die die Lage weitab von jeder Industrie und die alpine Luft hier oben für Umwelt- und Klimaforschung nutzen. 

Auf dem Schneefernerhaus misst die PTB die Folgen unserer Nutzung fossiler Brennstoffe, sei es durch Autofahren oder durch das Verbrennen von Holz zum Heizen unseres Hauses: feinste Rußpartikel, die bei der Verbrennung entstehen. „Solche Kohlen­stoff-Nano­partikel können Sonnenstrahlung absorbieren und geben Wärme wieder ab; sie heizen also die Atmosphäre auf“, erklärt Jorge Saturno. Er untersucht auf der Zugspitze, wie gut Messgeräte diese Kohlen­stoff-Aerosole messen. Die hohe Messgenauigkeit der Geräte ist besonders gut geeignet, um die relativ kleinen Konzen­trationen hier oben exakt zu messen. 

Das zweite Team ist an diesem Arbeitsplatz in den Wolken ein bisschen näher am Objekt ihrer Forschung: der Mesopause, einer Atmosphärenschicht in etwa 87 Kilometern Höhe. „Der Klimawandel umfasst neben Veränderungen der unteren Atmo­sphäre, wie z. B. der Zunahme extremer Wetterereignisse, auch Veränderungen der Dynamik in der oberen Atmosphäre“, erklärt Oliver Wroblowski. „Die Beobachtung des jährlichen Temperatur­zyklus in der Mesopause erlaubt daher eine frühzeitige Erkennung von Klimatrends mit guter statistischer Signifikanz“. Er misst mit einem Spektro­meter hochgenau die Infrarot-Emissionen von angeregten OH-Molekülen in der Mesopause. Mit dieser präzisen Referenz kann die Temperatur in dieser Höhe bestimmt werden.

Das dritte Team misst, wie groß der Neutronenanteil an der natürlichen kosmischen Strahlung ist. Dafür nutzen sie einen Satz Bonnerkugeln, ein Mess­instrument zur Bestimmung des Energie­spektrums von Neutronen. In der „Kugelalm“, einem kleinen Messhäuschen, kann das Team Neutronen über einen enorm breiten Energie­bereich nachweisen. „Das Gerät misst auch die hochenergetischen Neutronen, die in der oberen Atmosphäre entstehen. Wir bekommen also die Information über das gesamte Neutronen­spektrum vor Ort. Die Intensität der kosmischen Strahlung nimmt mit der Höhe zu. Das Schnee­fernerhaus ist also ein perfekter Ort für solche Messungen“, sagt Physiker Miroslav Zboril. 

Die Kenntnis der Intensität sowie der Energie der Neutronen­strahlung in der Umwelt ist etwa für ein neues Bodenfeuchte-Mess­verfahren notwendig: Es ermittelt mithilfe von natürlichen Neutronen, wieviel Wasser im Boden vorhanden ist. Die Bodenfeuchte ist in Zeiten immer häufigerer Dürreperioden auf der einen und einer intensiven Agrar­wirtschaft auf der anderen Seite von steigender Bedeutung. Zu wenig Wasser heißt schlicht: Pflanzen wachsen nicht. Der Wasseranteil im Boden liefert aber auch Infor­mationen über Boden­fruchtbarkeit und die Verfügbarkeit von Nährstoffen. „Alle drei Projekte betreffen wichtige Zukunftsfragen zu unserem Klima“, erklärt Olav Werhahn, Geschäfts­führer des Innovations­clusters Umwelt und Klima in der PTB.

PTB / JOL