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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Zeppelin NT

Zeppelin NT, eine neue Plattform zur Untersuchung atmosphärenchemischer Prozesse in der planetarischen Grenzschicht

ZeppelinZEPPELIN

Die bodennahe planetarische Grenzschicht (planetary boundary layer, PBL) erstreckt sich über die untersten 1-2 km der Atmosphäre. Chemische und meteorologische Prozesse in diesem Bereich haben einen wichtigen Einfluss auf die Luftqualität und das Klima. Dies erklärt sich dadurch, dass die meisten Luftschadstoffe natürlichen oder anthropogenen Ursprungs am Boden emittiert und von dort durch Wind und Konvektion verteilt werden. Aufgrund ihrer hohen Schadstoffbeladung ist die planetarische Grenzschicht somit der chemisch aktivste und komplexeste Bereich der Atmosphäre, welcher durch Bildung und Deposition sekundärer Schadstoffe (z.B. Ozon und Aerosole) unmittelbaren Einfluss auf die Gesundheit des Menschen und der Ökosysteme nimmt. Darüber hinaus kontrolliert die planetarischen Grenzschicht mit ihren chemischen und dynamischen Prozessen maßgeblich das regionale Klima und beeinflusst durch vertikalen (konvektiven) Stoffaustausch wesentlich die chemische Zusammensetzung der darüberliegenden freien Troposphäre.

Um den Einfluss natürlicher und anthropogener Emissionen auf die Luftqualität, das Klima und die Ökosysteme besser zu verstehen, müssen die Bildungs- und Umwandlungsprozesse der beteiligten Spurenstoffe in der planetarischen Grenzschicht untersucht werden. Zu den wichtigen Prozessen zählen:

  • Oxidationsprozesse in der Gasphase, welche unter Beteiligung freier Hydroxyl-Radikale (OH) reaktive Spurengase photochemisch abbauen und umwandeln.
  • Chemische und mikrophysikalische Prozesse, welche zur Bildung und Alterung von Aerosolen beitragen.
  • Transportprozesse, welche die primär emittierten Schadstoffe und sekundär gebildeten Oxidationsprodukte durch Advektion und turbulente Diffusion in der planetarischen Grenzschicht verteilen, in die freie Troposphäre eintragen, oder auf dem Boden deponieren.

Die experimentelle Untersuchung der oben genannten atmosphärischen Prozesse erfordert generell einen hohen technischen und instrumentellen Aufwand. Entsprechende Feldkampagnen, welche z.B. die troposphärische Photochemie der OH-Radikale untersuchen, haben bis zum heutigen Zeitpunkt aufgrund ihres Umfangs und wegen des Gesamtgewichts der beteiligten Instrumente überwiegend am Boden stattgefunden, oder auf großen Forschungsflugzeugen (z.B. NASA DC-8, NCAR C-130) durchgeführt. Für Messungen in der atmosphärischen Grenzschicht, besonders in Bodennähe und über dicht besiedelten Gebieten wie in Deutschland, sind große Forschungsflugzeuge jedoch generell nicht gut geeignet. Zum einen gibt es Beschränkungen für Tiefflüge, zum zweiten ist die Fluggeschwindigkeit im allgemeinen zu groß, um kleinräumige Konzentrationsänderungen der Spurenstoffe meßtechnisch aufzulösen, die sich aus der Struktur der Bodenquellen und genutzten Landflächen ergibt. Seit einigen Jahren steht in Deutschland eine weltweit einzigartige Flugplattform zur Verfügung, um mit umfangreichen Meßinstrumenten atmosphärische Prozesse in der untersten Troposphäre zu untersuchen. Es handelt sich dabei um ein Luftschiff vom Typ Zeppelin NT, welches von der deutschen Zeppelin Luftschifftechnik GmbH & Co. KG (ZLT) in Friedrichshafen am Bodensee entwickelt wurde.

Zeppelin beim StartZeppelin beim Start am Flughafen Friedrichshafen während der ZEPTER-1 Kampagne in 2007. Das Luftschiff ist ausgestattet mit (A) einer Top-Plattform, welche u.a. das LIF-Instrument zur Messung von HOx-Radikalen trägt, (B) mit einer Gondel, welche den Großteil der Meßinstrumente trägt, sowie (C) einem Nasenmast für meteorologische Messungen u.a. von Wind, Druck und Temperaturdaten.

Das Luftschiff wurde im Jahr 2006 in Kooperation zwischen ZLT und dem IEK-8 mit finanzieller Unterstützung des BMBFs als Flugplattform für atmosphärische Messungen in der planetarischen Grenzschicht vorbereitet und seitdem für mehrere Flugkampagnen eingesetzt. Die besondere Attraktivität des Zeppelin NT für die Troposphärenforschung liegt in der Möglichkeit, eine große Nutzlast von Instrumenten in der planetarischen Grenzschicht auch in niedrigen Höhen zu manövrieren. Aufgrund seines einzigartigen strukturellen Aufbaus als Starrluftschiff und seiner speziellen Antriebstechnik ist der Zeppelin NT geeignet, komplexe Meßsysteme nicht nur in der Luftschiffkabine, sondern auch auf einer frei angeströmten Plattform auf der Luftschiffoberseite zu fliegen. Der Zeppelin verfügt über eine

  • hohe wissenschaftliche Nutzlast: ~ 1 Tonne
  • autonome Stromversorgung für wissenschaftliche Meßinstrumente: ~ 8 kW
  • hohe Manövrierfähigkeit durch drei Vektortriebwerke für alle Raumrichtungen
  • Fluggeschwindigkeit: 0-115 km/h
  • Reichweite: 1100 km
  • Flughöhe: 20 - 3000 m
  • maximale Flugzeit: 20 Stunden

Daraus resultieren Möglichkeiten für die Untersuchung lokal begrenzter Phänomene in der PBL über verschieden genutzten Landflächen mit hoher räumlicher Auflösung und die Erfassung von Vertikalprofilen von Spurenstoffen vom Boden über die untersten hundert Meter bis in die freie Troposphäre. Die lange Flugzeit ermöglicht dabei Beobachtungen von Tagesgängen und somit Untersuchungen zur Tag- und Nachtchemie der Spurenstoffe.


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