Auffinden der Quellen von atmosphärischem Wasser
Der Wasserkreislauf ist ein komplexes System. Einige Prozesse laufen in weitaus kleineren Maßstäben ab, als sie in Wettervorhersagemodellen dargestellt werden können. Darüber hinaus können sich einige Prozesse gegenseitig ausgleichen, was ihre Berechnung erschwert. Diese „nicht nachweisbaren Kompensationsfehler“ schränken unser Verständnis des Wasserkreislaufs ein und stellen den größten Unsicherheitsfaktor bei Wettervorhersagen und Klimamodellen dar. Ein Beispiel hierfür ist das Gleichgewicht zwischen Verdunstung und Niederschlag. Durch Verdunstung wird die Atmosphäre feuchter und durch Niederschlag wird sie trockener. Da sich Nässe leichter beobachten lässt als Verdunstung und Niederschlag, kann zu viel Verdunstung durch zu viel Niederschlag kompensiert werden. „Das ist problematisch, weil wir uns zum einen sehr für den Niederschlag interessieren, zum anderen aber auch, weil mit diesen beiden Prozessen ein großer Energieumsatz verbunden ist. Daher ist es für die Wettervorhersage wichtig, dies korrekt zu erfassen“, sagt Harald Sodemann(öffnet in neuem Fenster), Professor für Meteorologie an der Universität Bergen. Stabile Wasserisotope können dabei von Nutzen sein, da sie empfindlich auf Phasenübergänge reagieren (z. B. von Flüssigkeit zu Dampf im Ozean und von Dampf zu Flüssigkeit oder Eis in Wolken). Die Messung stabiler Wasserisotope in der Luft kann zudem Aufschluss darüber geben, wie viel Feuchtigkeit in den Tagen zuvor zu- oder abgeführt wurde. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ISLAS(öffnet in neuem Fenster) stellten Sodemann und sein Team Untersuchungen zur Verwendung stabiler Isotope an, um unsere Vorstellung des atmosphärischen Wasserkreislaufs zu überarbeiten. Dabei kam die Idee auf, die nordischen Meere als natürliches Labor zu nutzen, um die zugrunde liegenden Prozesse in großem Maßstab zu erkunden.
Die Geschichte des Wasserdampfs von der Quelle bis zur Senke
Die nordischen Meere sind im Winter und Frühjahr die Heimat eines besonderen Wetterphänomens – der Kaltluftausbrüche. Während Kaltluftausbrüchen bewegt sich gefriergetrocknete arktische Luft über die Eiskante und auf offenes Wasser. Da der Ozean wärmer ist, führt dies zu starker Verdunstung in die untere Atmosphäre. „Wir wissen genau, wo in diesem Fall die Quelle der Feuchtigkeit liegt. Deshalb betrachten wir diese Region als ein natürliches Labor“, meint Sodemann. Das Team verwendete Instrumente auf einem Forschungsflugzeug, einem Forschungsschiff und an Land, um die Luftmasse von Kaltluftausbrüchen in verschiedenen Phasen abzufangen. Auf diese Weise konnten sie feststellen, wie viel Feuchtigkeit sich in der Atmosphäre befand und wie viel sich davon entfernt hatte. Schließlich nahm das Team Messungen stabiler Isotope im Schnee am Boden vor.
Einbeziehung stabiler Isotope in Modellvorhersagen
Das direkteste und praktischste Ergebnis des Projekts, und gleichzeitig sein Vermächtnis, ist der Datensatz aus drei Messkampagnen. Außerdem brachten die Messungen über Spitzbergen im Jahr 2020 dem Team auch einen unerwarteten wissenschaftlichen Bonuspunkt, der zur Lösung einer Kontroverse über stabile Isotope in der Arktis beitrug. Sodemann betonte jedoch, dass die durch das Projekt gewonnenen Erkenntnisse weit über das Erreichen eines Ziels oder die Bereitstellung eines Ergebnisses hinausgehen. „Dies betrifft die Art und Weise, wie wir über den Wasserkreislauf denken, und zwar als eine zusammenhängende Abfolge von Ereignissen und nicht als einen isolierten Zustand“, erklärt er. Das Team konnte bestätigen, dass das Konzept der Verwendung stabiler Wasserisotope zur Verfolgung der Geschichte des Wasserdampfs von der Quelle bis zur Senke aufgeht. „Dies unterstreicht den Wert der Einbeziehung stabiler Isotope in Modellvorhersagen, zumindest für Forschungszwecke“, ergänzt Sodemann.
Einbindung der Bürgerwissenschaft
Die Ideen aus dem Projekt werden im Rahmen von EU Water4All in einem stark interdisziplinären Projekt mit der Bezeichnung ISOSCAN(öffnet in neuem Fenster) weitergeführt, das die Verwendung von Messungen stabiler Isotope im Oberflächenschnee zur Verbesserung der Vorhersage von Flussausströmungen untersuchen wird. „Zu diesem Zweck werden wir mit Hilfe von Bürgerwissenschaft großflächig Oberflächenschnee sammeln und Einheimische und Touristen in den wissenschaftlichen Prozess einbeziehen“, schließt Sodemann.
