Blitzeinschläge dank künstlicher Intelligenz vorhersagen

10 bis 30 Minuten im Voraus und in einem Umkreis von 30 Kilometern – so genau sollen die Vorhersagen zu Blitzeinschlägen nach dem neuen System einer Forschergruppe der „School of Engineering“ der EPFL in Lausanne sein. Dafür nutzen sie eine Kombination aus meteorologischen Standarddaten und künstlicher Intelligenz (KI). „Aktuelle Systeme sind langsam, sehr komplex und erfordern teure externe Daten, die per Radar oder Satellit erfasst werden“, erklärt Amirhossein Mostajabi. Der Doktorand hat die Technik für das System entwickelt. „Unsere Methode verwendet Daten, die von jeder Wetterstation abgerufen werden können. Damit können wir auch abgelegene Regionen abdecken, die sich außerhalb der Reichweite von Radar und Satelliten befinden und in denen keine Kommunikationsnetze verfügbar sind.“

Daten in Echtzeit lassen schnelle Vorhersagen zu

Die Kombination aus Standarddaten von Wetterstationen und künstlicher Intelligenz machen das neue System so einfach wie kostengünstig. Alle Daten werden in Echtzeit erfasst. Das ermöglicht, Vorhersagen sehr schnell treffen zu können. In der Folge lassen sich auch Warnungen frühzeitig verbreiten, noch bevor sich der Sturm tatsächlich gebildet hat.

Neben den Wetterdaten verwendeten die Forscher einen maschinellen Lernalgorithmus. Ihn trainierten sie darauf, Bedingungen zu erkennen, die zu Blitzen führen. Für das Training zogen die Forscher Daten über einen Zeitraum von 10 Jahren von 12 Schweizer Wetterstationen heran. Diese liegen sowohl in städtischen wie in bergigen Gebieten. Das Team konzentrierte sich vor allem auf 4 Parameter: Luftdruck, Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit. Diese setzten sie mit Aufzeichnungen von Blitzerkennungs- und Ortungssystemen in Beziehung. Das Ergebnis: In fast 80 % aller Fälle traf das System die richtigen Vorhersagen. Damit sind die Forscher der Meinung, es könne nun überall eingesetzt werden.

Einfache Vorhersage für komplexes Phänomen

Das System ist allerdings anfällig für Veränderungen, die in der Umgebung möglicherweise auftreten. Sie können während des Trainings den Lernprozess der Software beeinträchtigen oder die Einflussfaktoren der Umgebung im Nachhinein so verändern, dass die Trefferquote der Vorhersagen sinkt. Das könnte zum Beispiel der Fall sein, wenn in der Nähe der Wetterstationen zusätzliche Hochhäuser gebaut würden.

Dennoch ist es nach Angabe der Forscher das erste Mal, dass Blitzeinschläge vorausgesagt werden konnten, auf Basis einfacher meteorologischer Daten in Verbindung mit künstlicher Intelligenz. Das Besondere an dem System der Forscher aus Lausanne ist: Sie haben eine einfache Möglichkeit gefunden, ein komplexes Phänomen vorherzusagen.

Wie Blitze entstehen

Blitze bilden sich in Zusammenhang mit Gewittern. Diese entstehen in Mitteleuropa vor allem im Sommer, wenn durch die Sonne viel Wasser verdunstet und sich die Luft erwärmt. Trifft die warme Luft auf eine Kaltfront, schiebt sich die kalte unter die warme Luft. Diese feuchtwarme Luft steigt in die Höhe, der Wasserdampf kondensiert, und es bilden sich Regenwolken. Nicht alle Regentropfen fallen dabei aus den Wolken. Manche bleiben und werden zu Eiskörnchen. Durch die ungleiche Verteilung von Eis und Wasser sowie Aufwinde in der Wolke entstehen Räume mit unterschiedlichen Ladungen. Wird die Spannung zu groß, entlädt sie sich in Form eines Blitzes. Der dient als Spannungsausgleich und kann innerhalb der Wolke oder zwischen dem Erdboden und dem unteren Teil der Wolke stattfinden.

Ein Blitzschlag ist vergleichbar mit einem gewaltigen Kurzschluss. In extremen Fällen kann der Spannungsunterschied zwischen Gewitterwolke und Erdboden mehr als 100 Millionen Volt betragen. Die meisten Blitzschläge beginnen am Boden und breiten sich nach oben aus. Nicht alle Blitze stellen eine Gefahr dar. Doch in Ausnahmefällen können sie Bäume spalten, elektronische Geräte beschädigen, Häuser in Brand setzen, ganze Stromleitungen zerstören und damit das Netz zum Erliegen bringen. Werden Mensch oder Tier getroffen, besteht Lebensgefahr. Deshalb ist ein solches Frühwarnsystem, wie es die Forscher aus Lausanne entwickelt haben, nützlich, um Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf kritische Infrastrukturen, empfindliche Geräte, Systeme – und natürlich Lebenweisen – zu minimieren.

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