Messtechnologie für Hurrikans 27.07.2013, 07:00 Uhr

GPS-Signale nutzen Wellengang zur Berechnung von Windgeschwindigkeit

Die Messung der Windgeschwindigkeit von Wirbelstürmen wird in Zukunft auch über GPS möglich sein. Aus den unregelmäßig gestreuten GPS-Signalen, die von einer aufgewühlten Meeresoberfläche reflektiert werden, berechneten NASA-Forscher die Geschwindigkeit des Sturms auf fünf Meter pro Sekunde genau.

Ein Pilot der amerikanischen Luftwaffe inspiziert einen sogenannten „Hurrikan-Jäger“. Mit solchen Flugzeugen haben Forscher die Meeresoberfläche während eines Sturmes überflogen und die reflektierten GPS-Signale ausgewertet. 

Ein Pilot der amerikanischen Luftwaffe inspiziert einen sogenannten „Hurrikan-Jäger“. Mit solchen Flugzeugen haben Forscher die Meeresoberfläche während eines Sturmes überflogen und die reflektierten GPS-Signale ausgewertet. 

Foto: Manuel Martinez/American Geophysical Union

Bisher schicken die Satelliten des Global Positioning Systems (GPS) ihre Radiowellen zur Erde, um Autofahrer oder Piloten in ihrer Navigation zu unterstützen. Wissenschaftler der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA sehen nun einen weiteren bedeutenden Nutzen für die GPS-Signale. Wenn die Satelliten-Signale auf eine Meeresoberfläche treffen, die der Wind aufgewühlt hat, werden sie nicht mehr vorhersehbar reflektiert sondern kreuz und quer gestreut.

Bisherige Messmethode ist zehnmal genauer, aber wesentlich teurer

„Die Radiowellen hüpfen von den Wellen“, erklärt Stephen Katzberg vom Langley Research Center in Hampton, Virginia. „Etwa 60 Prozent der Radiosignale werden vom Wasser reflektiert. Je rauer die Oberfläche desto gestörter sind die Reflektionen und diese Störungen können wir messen.“ Bisher geschieht das noch per Flugzeug, den sogenannten „Hurrikan-Jägern“, mit denen die Forscher das Messgebiet überfliegen. Der Computer vergleicht die Signale, die direkt vom Satelliten von oben kommen mit denen, die das Meer von unten reflektiert.

Die Windgeschwindigkeit, die das Programm daraus berechnet, hat derzeit eine Genauigkeit von fünf Metern pro Sekunde. Bei einem Wirbelsturm der Kategorie drei, der mit etwa 55 Metern pro Sekunde unterwegs ist, ließen sich damit gute Vorhersagen treffen. Allerdings liegt die bisher übliche Messmethode in diesem Punkt noch deutlich vorne: ihre Genauigkeit beträgt 0,5 Meter pro Sekunde.

Eine NASA-Satellitenaufnahme von „Cimarron“. Das Zentrum des tropischen Sturms traf am 18. Juli 2013 etwa 360 Kilometer von Hongkong entfernt auf Festland.

Eine NASA-Satellitenaufnahme von „Cimarron“. Das Zentrum des tropischen Sturms traf am 18. Juli 2013 etwa 360 Kilometer von Hongkong entfernt auf Festland.

Foto: NASA

Der Nachteil ist wiederum ebenso auffallend, denn die bewährte Messmethode ist auch wesentlich teurer. Bisher müssen Meteorologen direkt in den Sturm fliegen und dann einzelne, jeweils 750 US-Dollar teure Mess-Sonden aus dem Flugzeug werfen. Diese ermitteln Temperatur, Feuchtigkeit und Windgeschwindigkeit, während sie an einem Minifallschirm zu Boden sinken. Auf einer typischen Hurrikan-Mission werden etwa 20 dieser Sonden verbraucht.

Neue Methode ist als Ergänzung zu Messsonden gedacht

Weil mit den teuren Sonden sparsam umgegangen werden muss, werden nicht alle Bereiche des Sturms erfasst und die Vorhersagen werden trotz der Präzisionssonden schließlich doch ungenau. Im Gegensatz dazu könnte das GPS kontinuierlich und flächendeckend messen. Die Wissenschaftler sehen ihr neues Messsystem mit GPS aber weniger als Ersatz für die Abwurf-Sonden sondern als sinnvolle Ergänzung dazu.

Bisher werde die neue Messtechnik ausschließlich auf Flugzeugen getestet, aber der Einsatz auf Satelliten sei bereits geplant, sagt  Forschungsingenieur Katzberg. Für 2016 plant die NASA die Stationierung von einer Reihe von kleineren Satelliten, dem sogenannten „Cyclone Global Navigation Satellite System“. Dieses System soll zwar die Windgeschwindigkeiten von Stürmen aus dem All messen, aber Katzberg hofft darauf, dass seine neue Messmethode sich an die teure Infrastruktur der Satelliten anhängen kann. 

Von Gudrun von Schoenebeck Tags: ,

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