Antrag auf Beschaffung und Betrieb eines Forschungsflugzeugs für die Atmosphärenforschung und Erdbeobachtung

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1 Antrag auf Beschaffung und Betrieb eines Forschungsflugzeugs für die Atmosphärenforschung und Erdbeobachtung - High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO)

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3 Antrag auf Beschaffung und Betrieb eines Forschungsflugzeugs für die Atmosphärenforschung und Erdbeobachtung - High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO) - Februar Kurzfassung Für die Erforschung der Troposphäre und unteren Stratosphäre und für die Erdbeobachtung wird ein Flugzeug mit großer Reichweite (>8000 km), Gipfelflughöhe (>15 km), Nutzlast (3 Tonnen) und Nutzfläche (20-30 m 2 ) benötigt. Das Flugzeug soll Messungen bei weltweiten Experimenten mit einem System von Instrumenten und mit wissenschaftlichem Personal aus mehreren Gruppen (multidisziplinär, international) ermöglichen. Damit sollen neue wissenschaftliche Fragen erforscht und beantwortet werden. Die deutsche Wissenschaft auf diesem Gebiet soll damit ihre bereits jetzt erreichte internationale Spitzenposition ausbauen und festigen. Es gibt derzeit weltweit kein Forschungsflugzeug, das den genannten Anforderungen entspricht. Daher wird hier der Antrag zur Finanzierung von Beschaffung und Betrieb eines großen, hoch- und weitfliegenden Forschungsflugzeugs HALO 1 auf der Basis eines großen Geschäftsreiseflugzeugs gestellt. 1 HALO steht für High Altitude and Long Range Research Aircraft. Ein Halo [griechisch: halos, Hof (um Sonne und Mond)] ist eine atmosphärische Lichterscheinung, hervorgerufen durch Reflexion, Beugung und Brechung von Licht an Eiskristallen. 3

4 Inhaltsverzeichnis Kurzfassung...3 Zusammenfassung Gesamtziel des Vorhabens Bezug zu förderpolitischen Zielen Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele Forschungsthemen Chemie und Transport von Spurenstoffen in der Troposphäre und unteren Stratosphäre Ozonzerstörung in der Stratosphäre Integrierte Untersuchungen der Wechselwirkungen Chemie-Klima-Biosphäre-Mensch Transporte und chemische Umsetzungen in konvektiven und turbulenten Systemen Niederschlag und Strahlungstransport Kernthemen der Meteorologie und Klimaforschung Untersuchung der Meereisverteilung im Rahmen der Polarforschung Erforschung der Auswirkungen von Emissionen des Luftverkehrs auf die Chemie der Tropopausenregion und auf die Bildung von Aerosolen und Wolken Erderkundung, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Kohlenstoffkreislauf Erprobung, Validierung und Ergänzung vorhandener und neuer Fernerkundungsmethoden Anforderungen an das Forschungsflugzeug Anforderungen an das Nutzungskonzept Forschung mit Forschungsflugzeugen: Stand der Technik Forschungsflugzeuge in Deutschland Forschungsflugzeuge in Europa und den USA In Frage kommende Flugzeuge Verfügbare und erforderliche Instrumente Arbeitsplan Grundsätze Finanzierung Betreiber Beschaffungsprojekt Zeitplan Kosten...49 Anlage 1. Unterzeichner des Vorschlages für ein neues Forschungsflugzeug...51 Anlage 2. Referenzen im Internet...53 Anlage 3. Anforderungen an das zu beschaffende High Altitude and Longe Range Research Aircraft (HALO)...54 Technische Anforderungen...54 Anforderungen an Basissensorausrüstung...56 Möglicher Missionsplan für HALO in einem typischen Jahr...58 Anlage 4. Informationen über Forschungsflugzeuge in Europa...59 Anlage 5. Tabellen...61 Tabelle 1: Nutzer-Institute:...61 Tabelle 2. Europäische Forschungsprojekte mit Forschungsflugzeugen...62 Tabelle 3. Aktuelle nationale Forschungsprojekte mit Forschungsflugzeugen...63 Tabelle 4: Flugtaugliche Instrumente (In situ: i, Fernerkundung/remote: r)...64 Tabelle 5. Satelliten Instrumente...65 Tabelle 6: Eigenschaften von in Frage kommenden Flugzeugen im Vergleich...67 Anlage 6: Nutzer-Referenzen...69 Anlage 7. Bisherige Nutzung der FALCON...72 Anlage 8. Abkürzungen...84 Anlage 9. Nutzerbriefe

5 Zusammenfassung Die Erdatmosphäre, ein lebenswichtiger Teil unserer Umwelt, unterliegt einem ständigen großräumigen Wandel, teils durch natürliche Änderungen und teils aufgrund der Einwirkungen des Menschen. Die Vorgänge in der Atmosphäre sind eng verbunden mit denen an der Erdoberfläche oder in den Ozeanen. Kenntnisse über das Atmosphärensystem und die angrenzenden Komponenten des Erdsystems sind Voraussetzung für den Schutz vor extremen Wetterzuständen, vor abträglichen Veränderungen des Klimas, und vor einer Verschlechterung der Qualität der atmosphärischen Umwelt. Darüber hinaus sind diese Kenntnisse auch unter politischen Gesichtspunkten für eine moderne Industrienation unerlässlich. Trotz erheblicher Fortschritte beim Verständnis der Vorgänge in der Atmosphäre sind viele der maßgeblichen Prozesse und systematischen Veränderungen bisher nur sehr unvollständig erkannt und verstanden, was unter anderem an dem Mangel an geeigneten Messträgern für großräumige Untersuchungen in der freien Atmosphäre liegt. Im Mai 2000 trafen sich in Mainz Vertreter der deutschen Atmosphärenforschung aus Einrichtungen der deutschen Universitäten, der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF), der Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz (WGL), und der Fraunhofer- Gesellschaft (FhG), um ein Konzept für die Zukunft der flugzeuggetragenen Atmosphärenforschung in Deutschland zu entwickeln. Die Teilnehmer kamen einstimmig zu dem Schluss, dass die Beschaffung eines modernen Forschungsflugzeuges mit hoher Leistung in Bezug auf Gipfelflughöhe, Reichweite und Nutzlast eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Forschung der nächsten Jahrzehnte und für eine weiterhin führende Rolle deutscher Wissenschaftler auf diesem Gebiet ist. Auf der Basis des in dem vorliegenden Dokument skizzierten und unter den Nutzern abgestimmten Konzepts stellen MPG und DLR daher stellvertretend für alle Nutzer diesen Antrag. Sie stützen sich dabei auf die in Briefen zum Ausdruck gebrachte Unterstützung der beteiligten Forscher, insbesondere aus den Universitäten. Die Nutzer stammen aus 31 Instituten, darunter 14 Hochschulinstitute, 4 Max-Planck-Institute, 2 Institute der Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz, einem Fraunhofer-Institut, dem Deutschen Wetterdienst und Instituten aus 6 Zentren der Helmholtz- Gemeinschaft. Die deutsche Wissenschaft ist auf dem Gebiet der Atmosphärenforschung und Erdbeobachtung in großen Teilen weltweit führend. Dies wird durch zahlreiche Publikationen, Auszeichnungen mit internationalen Preisen und der führenden Rolle deutscher Wissenschaftler bei internationalen Forschungsprojekten belegt. Mit dem beantragten Forschungsflugzeug soll die deutsche Wissenschaft in die Lage versetzt werden, ihre bereits jetzt erreichte internationale Spitzenposition auszubauen und zu festigen. Nutzer aus den Hochschulen wollen hierzu bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) einen Sonderforschungsbereich beantragen, der sich speziell der Erforschung der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre mit Hilfe dieses Flugzeuges widmet. Der Antrag zielt auf die Finanzierung von Beschaffung und Betrieb eines großen, hoch- und weitfliegenden Forschungsflugzeugs HALO auf der Basis eines großen Geschäftsreiseflugzeugs. Das Flugzeug soll primär für die Erforschung der Troposphäre und unteren Stratosphäre und für die großräumige Erdbeobachtung eingesetzt 5

6 werden. Kennzeichnend für die Atmosphärenforschung der Zukunft ist die Integration in einen umfassenden Ansatz, in dem disziplinübergreifend und international die Prozesse in der Atmosphäre in ihrer Wechselwirkung mit dem Menschen und der Biosphäre untersucht werden. Das Flugzeug soll über eine große Reichweite für interkontinentale Einsätze (>8000 km), eine Gipfelflughöhe zum Erreichen der unteren Stratosphäre in außertropischen Breiten und der oberen Troposphäre in den Tropen (>15 km), Nutzlast (3 Tonnen) und Nutzfläche (30 m 2 ) zur gleichzeitigen Unterbringung von komplementären Instrumenten mit begleitenden Wissenschaftlern aus verschiedenen Nutzergruppen verfügen. Es soll Messungen bei Einsätzen über Europa und anderen Regionen der Erde im Team mit multidisziplinär und international zusammengesetzten Gruppen ermöglichen. Damit sollen wissenschaftliche Fragen untersucht werden und neue Erkenntnisse erhalten werden, die mit den jetzt verfügbaren Plattformen außerhalb des Möglichen sind. Es gibt derzeit weltweit kein Forschungsflugzeug, das den genannten Anforderungen entspricht. Die Anforderungen können mit zwei kommerziell erhältlichen Flugzeugtypen erfüllt werden: Gulfstream G V des amerikanischen Herstellers Gulfstream Aerospace Company (General Dynamics), und Global Express des kanadischen Herstellers Bombardier. Beide Flugzeuge sind mit Triebwerken vom Typ BR 710 aus deutscher Produktion (Rolls-Royce Deutschland) ausgerüstet (ca. 1/3 der Beschaffungskosten des grünen Flugzeuges, also ohne Um- und Einbauten). Es wird angestrebt, das Flugzeug bei deutschen Niederlassungen oder Partnerfirmen zu einem Forschungsflugzeug umrüsten zu lassen. Zu untersuchen sind die Wechselwirkungen Chemie-Klima-Biosphäre-Mensch in Schlüsselregionen, in denen sich dramatische Veränderungen abspielen, die sich auf die globale Umwelt auswirken. Auslöser dieser Veränderungen sind die Zunahme der Weltbevölkerung und die rapide zunehmende Industrialisierung eines wachsenden Anteils dieser Bevölkerung, die großräumige Änderung der Landnutzung, und die Änderungen des globalen und regionalen Klimas. Diese Einflüsse und ihre Auswirkungen auf das System Erde sind in einigen Regionen besonders intensiv zu beobachten, weshalb sich diese Regionen als Modellfälle zur wissenschaftlichen Untersuchung besonders eignen: Der eurasische Raum, insbesondere die Borealzone, in der schon jetzt eine bisher ungekannt rasche Klimaveränderung beobachtet wird und daher die Gelegenheit besteht, die Wechselwirkungen zwischen Klimawandel, Biosphäre und Atmosphärenchemie zu untersuchen. Das Amazonasbecken, wo großräumige Landnutzungsänderung und Entwaldung die Prozesse der Selbstreinigung der Atmosphäre und des energetischen Antriebs der globalen atmosphärischen Zirkulation empfindlich stören werden. Der südostasiatische Raum, mit dem Fokus auf der direkten Belastung der Atmosphäre durch rapides Bevölkerungswachstum, Industrialisierung, und Urbanisation. Mit HALO würden diese Regionen in einer bisher nicht gekannten Weise zugänglich. Damit würden der Forschung und ihrer Nutzung neue Anwendungsgebiete eröffnet. Das Flugzeug soll für die Forschung der beteiligten Institutionen in Deutschland im Verbund mit europäischen und anderen internationalen Partnern eingesetzt werden. 6

7 Experimente zur Untersuchung solcher Fragen erfordern internationale und interdisziplinäre Zusammenarbeit auf einer gemeinsamen Messplattform, oft sogar den simultanen Einsatz mehrerer Flugzeuge, aus mehreren Ländern, koordiniert mit Messungen von Schiffen, Bodenstationen und Satelliten. Bei Großgeräten ist eine internationale Zusammenarbeit zur Teilung der finanziellen Lasten und zur Einbindung der Ideen, Instrumente und Infrastrukturen der Partner unbedingt notwendig. Europäische Projekte stützen sich immer häufiger auf den kombinierten und komplementären Einsatz mehrerer Flugzeuge, zumeist aus verschiedenen Ländern, zusammen mit anderen Untersuchungsmethoden und zusammen mit einem Team an Wissenschaftlern für Vorhersage und Analyse der Prozesse. Dieses Konzept ist typisch für die moderne Atmosphären- und Erdsystem-Forschung. Für das 6. Rahmenprogramm diskutiert die Kommission der Europäischen Gemeinschaften (EU) derzeit die Möglichkeit der Investitionsförderung von Infrastruktur. Jedoch wird die EU nach diesen Plänen nur einen kleinen Teil (10 %) der Investitionen fördern können. Die Beschaffung und die Grundlast des Betriebs eines Flugzeugs ist daher auch im europäischen Verbund eine nationale Aufgabe. Eine nationale Rolle ist hier auch aus politischer Sicht wichtig. Es geht darum, deutsche und europäische Standpunkte auf internationalen Konferenzen (z.b. zum Treibhauseffekt in der Nachfolge von Kyoto) wirksam umzusetzen. Bei internationalen Bewertungen des Standes des Wissens über Klimaänderungen, wie bei dem jüngst vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) verabschiedeten Bericht "Climate Change 2001: The Scientific Basis", werden die verschiedenen Standpunkte und Wertungen des Wissens wesentlich von den beteiligten Wissenschaftlern gesteuert. Oft werden nur die jeweiligen nationalen Beiträge berücksichtigt. Für diesen Wettbewerb wird die unabhängige nationale Beurteilungskompetenz und die deutsche Wissenschaft wesentlich gestärkt, wenn sie über entsprechende Forschungsinstrumente verfügt und immer wieder als weltweit erste Ergebnisse zu den rasch wechselnden aktuellen Themen publizieren kann. Aufgrund der auch unter wirtschaftlichen Aspekten wachsenden Bedeutung der Bewertungen von Klimaänderungen wird sich dieser Wettbewerb in den nächsten Jahren noch verschärfen. Die Finanzierung der Nutzung des Flugzeugs für die Forschung, zunächst für einen Zeitraum von 6 Jahren, ist Teil dieses Antrags. Die Vergabe von Nutzungszeiten soll ähnlich wie bei den Forschungsschiffen ( Polarstern und METEOR ) allein nach wissenschaftlichen Qualitätskriterien erfolgen. Ein solches Zugangskonzept würde auch die sehr dringliche verstärkte Beteiligung der Universitäten an der Atmosphärenforschung wirkungsvoll fördern. Es wird daher eine Sonderfinanzierung für die Beschaffung und den Betrieb des Flugzeugs in der Startphase von zunächst sechs Jahren beantragt. 7

8 Die in den Jahren 2002 bis etwa 2010 anfallenden Kosten des Projekts ergeben sich aus der folgenden Tabelle: Investitionsvolumen bei Ausschreibung bis Juni ,0 Mio Euro Eskalation für Preissteigerung bei Ausschreibung bis Juni ,5 Mio Euro Reserve für nicht absehbare Risiken und Sonstiges 5,0 Mio Euro Planungsphase, Stand Januar ,4 Mio Euro Budgetanforderung für sechs Jahre Betrieb, 6 x 3,8 Mio Euro 22,8 Mio Euro Gesamtkostenschätzung für Beschaffung und sechs Jahre Betrieb, 102,7 Mio Euro Kostenstand Januar 2002, incl. Reserve Die Anschaffungskosten für ein solches Forschungsflugzeug sind zwar kleiner aber doch von ähnlicher Größenordnung wie die der in Deutschland verfügbaren Forschungsschiffe und auch etwa vergleichbar der einer ESA-Opportunity-Mission. Das wissenschaftliche Ertragspotential des Flugzeuges und der Nutzer sollte dies rechtfertigen. Der Zeitplan sieht vor: Freigabe der Ausschreibung bis Juni 2001 Auswertung der Angebote und Freigabe der Mittel für die Investition bis Januar 2002 Beschaffung des Flugzeugs bis Juli 2003 Umrüstung, Instrumentierung und Tests bis Ende 2004 Betriebsphase mit operationellem Forschungsflugbetrieb ab 2005 Bei Zustimmung der Geldgeber kann eine Ausschreibung, die bei den Anbietern zu Kosten führt und daher nur auf der Basis einer entsprechenden Auftragsabsicht erfolgen kann, im Juni 2001 erfolgen, bevor die nächste Kostensteigerung bei den Herstellern erfolgt. Der Auftrag sollte im Januar 2002 erfolgen. Dies setzt eine Freigabe der Investitionsmittel für den Zeitraum 2002 bis 2004 voraus. Eine baldige Entscheidung ist aus folgenden Gründen dringlich: Ohne baldige Entscheidung besteht die Gefahr, dass die deutschen Nutzer ihre derzeit vorhandene Position im internationalen Spitzenfeld verlieren. Ein Verzug oder ein Verlust dieser Position könnte Wettbewerbsnachteile mit sich bringen (z.b. bei zukünftigen Bestandsaufnahmen des Wissens durch das IPCC oder bei internationalen Verhandlungen zur Umweltpolitik). Für die Instrumentierung und Nutzung des Flugzeugs HALO sollen Projekte bereits im 6. Rahmenprogramm der EU (voraussichtlich ) beantragt werden. Die Validierung und Nutzung gleichzeitig laufender Satellitenexperimente, beispielsweise auf ENVISAT, erfordern ein Flugzeug möglichst noch vor Ende der Missions-Phase des Satelliten, also möglichst vor Ende 2005 im Fall von ENVI- SAT. 8

9 1. Gesamtziel des Vorhabens Die Erdatmosphäre, lebenswichtiger Teil unserer Umwelt, unterliegt einem ständigen großräumigen Wandel, teils durch natürliche Änderungen und teils aufgrund der Einwirkungen des Menschen. Die Vorgänge in der Atmosphäre sind eng verbunden mit denen an der Erdoberfläche oder in den Ozeanen. Trotz erheblicher Fortschritte sind viele der maßgeblichen Prozesse und systematischen Veränderungen bisher nur sehr unvollständig erkannt und verstanden, was unter anderem an dem Mangel an geeigneten Messträgern für großräumige Messungen in der freien Atmosphäre liegt. Um hier wesentliche Fortschritte erzielen zu können, sollen mit Hilfe des hier beantragten Projektes zur Beschaffung, Ausrüstung und für den Betrieb eines neuen Forschungsflugzeuges die wesentlichen Voraussetzungen geschaffen werden. Das Flugzeug soll für die Erforschung der Troposphäre und unteren Stratosphäre und für die Erdbeobachtung genutzt werden. Das Flugzeug soll über eine große Reichweite für interkontinentale Einsätze (>8000 km), eine Gipfelflughöhe zum Erreichen der unteren Stratosphäre in außertropischen Breiten und der oberen Troposphäre in den Tropen (ca. 15 km), Nutzlast (ca. 3 Tonnen) und Nutzfläche (20-30 m 2 ) zur gleichzeitigen Unterbringung von komplementären Instrumenten mit begleitenden Wissenschaftlern aus verschiedenen Nutzergruppen verfügen. Es soll Messungen bei Einsätzen über Europa und anderen Regionen der Erde im Team mit multidisziplinär und international zusammengesetzten Gruppen ermöglichen. Damit sollen wissenschaftliche Fragen untersucht werden und neue Erkenntnisse erhalten werden, die mit den jetzt verfügbaren Plattformen außerhalb des Möglichen sind. Einige der Fragen können im Zeitraum einer ersten Betriebsphase auch abschließend beantwortet werden. Die deutsche Wissenschaft ist auf diesem Gebiet in großen Teilen führend. Dies wird belegt u.a. durch zahlreiche Publikationen aus deutschen Instituten, Auszeichnungen deutscher Wissenschaftler mit internationalen Preisen und der führenden Rolle deutscher Wissenschaftler bei internationalen Forschungsprojekten (z.b. bei europäischen Projekten im 4. und 5. Rahmenprogramm der EU). Deutsche Institute haben erhebliche Erfahrungen aus internationalen Forschungsprojekten mit Flugzeugen. Dabei einstand ein großer Satz an Mess-Instrumenten, die auf verschiedenen Flugzeugen zum Einsatz kommen, die aber keinen Platz in der notwendigen Zusammenstellung auf den vorhandenen Flugzeugen finden. Mit diesem Antrag soll die deutsche Wissenschaft in die Lage versetzt werden, ihre bereits jetzt erreichte internationale Spitzenposition auszubauen und zu festigen. Wie in Kap. 4 weiter ausgeführt, gibt es derzeit weltweit 2 kein Forschungsflugzeug, das den genannten Anforderungen entspricht. Damit fehlt eine wichtige Komponente der Infrastruktur zur Erforschung globaler Veränderungen. Gutachter der Klimaforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) empfahlen 1999: Es wird dringend empfohlen, eine neue technische Plattform für die Troposphärenforschung zu schaffen. Ein geeignetes Forschungsflugzeug soll eine Nutzlast von mindestens fünf 3 Tonnen transportieren können, die erforderliche elektrische Versorgung von wechselnden Messgeräten erlauben, eine Flughöhe erreichen, die mindestens im Bereich der Tropopause liegt, sowie über einen transkontinentalen O- 2 Auf eine ähnliche Initiative in den USA (High-performance Instrumented Airborne Platform for Environmental Research, HIAPER) wird in Kap. 4.2 eingegangen. 3 Die Zahl wurde nicht näher begründet. Wenn der Flughöhe Priorität eingeräumt wird, ist sie nicht zu realisieren. Eine Zahl von drei Tonnen wird für HALO als ausreichend angesehen. 9

10 perationsradius verfügen. Die HGF erhalte dadurch die Chance, ihre bisherige Spitzenstellung abzusichern und auszubauen. Die Nutzung eines solchen Flugzeugs beschränke sich jedoch nicht auf die HGF, sondern wäre auch für andere deutsche und europäische Forschungseinrichtungen überaus wichtig, wobei diese auch zu den Betriebskosten beitragen könnten. Die Gutachter betonten den Wettbewerbsnachteil für die deutsche und europäische Wissenschaft im internationalen Vergleich infolge des Größenunterschieds der in Deutschland zur Verfügung stehenden Forschungsflugzeuge im Vergleich zu den in USA verfügbaren sehr viel größeren Flugzeugen. Im Mai 2000 trafen sich in Mainz Vertreter der deutschen Atmosphärenforschung (siehe Anlage 1) aus Einrichtungen der deutschen Universitäten, der Max-Planck- Gesellschaft (MPG), der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF), der Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz (WGL), und der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG), um ein Konzept für die Zukunft der flugzeuggetragenen Atmosphärenforschung in Deutschland zu entwickeln. Die Teilnehmer kamen einstimmig zu dem Schluss, dass die Beschaffung eines modernen Forschungsflugzeuges mit hoher Leistung in Bezug auf Gipfelflughöhe, Reichweite und Nutzlast eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Forschung der nächsten Jahrzehnte und für eine weiterhin führende Rolle deutscher Wissenschaftler auf diesem Gebiet ist. Für einen sinnvollen Einsatz eines solchen Forschungsinstruments ist ein Betrieb und Nutzungszugang ähnlich den bewährten Modellen bei Polarforschungsschiffen vorzusehen. Es ist zu erwarten, dass von dem Vorhandensein eines solchen Forschungsflugzeuges eine ähnliche Anziehungskraft ausgeht wie von den international hoch angesehenen deutschen Forschungsschiffen. Damit könnte die interdisziplinäre und internationale Zusammenarbeit gestärkt werden, und es könnte eine führende Rolle bei der Planung und Durchführung internationaler Kampagnen eingenommen werden. Um diese Zusammenarbeit zu unterstützen, sollte das Flugzeug auch auf europäischer Ebene verfügbar gemacht werden. Auch die Weiterentwicklung vorhandener und die Anwendung neuer, innovativer Instrumente und Meßmethoden, z. B. für kurzlebige reaktive Spurenstoffe, die eine Schlüsselrolle in der Atmosphäre spielen, würde stimuliert werden. Die MPG und das DLR machen sich diese Vorschläge hiermit zu eigen und stellen daher diesen Antrag. Sie stützen sich dabei auf die ausdrückliche Zustimmung (siehe Nutzerbriefe) der beteiligten Forscher und Nutzerinstitutionen, insbesondere aus den Universitäten, siehe Tabelle 1. Die Tabelle umfasst derzeit 31 Institute, darunter 14 Hochschulinstitute, 4 Max-Planck-Institute, 2 Institute der WGL, ein Fraunhofer- Institut, den Deutschen Wetterdienst und Institute aus 6 HGF-Zentren. Dieser Antrag enthält noch keine Festlegung auf ein konkretes Flugzeugmuster. Hierzu läuft derzeit die Vorbereitung einer internationalen Ausschreibung. Um keine Zeit zu verlieren, wird dieser Antrag gestellt, der es gestattet, den Bedarf, den erforderlichen Mittelrahmen und die geplante Vorgehensweise zu beurteilen. Mit HALO wird ein sichtbarer Beitrag zur Forschung zur Lösung auch politisch wichtiger Fragen geleistet, wie Umwelt- und Klimaschutz, internationale Zusammenarbeit, Entwicklungshilfe, Verbesserung der Wettervorhersage, Nutzung der Raumfahrt, Stärkung der Zusammenarbeit der Großforschungseinrichtungen mit den Hochschulen u.a.. 10

11 2. Bezug zu förderpolitischen Zielen Kenntnisse über das Atmosphärensystem und die angrenzenden Komponenten des Erdsystems sind Voraussetzung für den Schutz vor extremen Wetterzuständen, vor abträglichen Veränderungen des Klimas, und vor einer Verschlechterung der Qualität der atmosphärischen Umwelt. Aufgrund der zunehmenden Erdbevölkerung und der wachsenden Konzentration von Treibhausgasen und anderen Spurenstoffen in der Atmosphäre ist davon auszugehen, dass die genannten Veränderungen und die Empfindlichkeit der Zivilisation auf extreme Wetterzustände langfristig andauern oder noch zunehmen werden. 4 Es ist daher wichtig, auch in Zukunft wissenschaftlich und gesellschaftlich bedeutsame Fragen zur Untersuchung der Atmosphäre beantworten zu können. Kennzeichnend für die Atmosphärenforschung der Zukunft ist die Integration in einen umfassenden, systemaren Ansatz, in dem disziplinübergreifend und international die Prozesse in der Atmosphäre in ihrer Wechselwirkung mit dem Menschen und der Biosphäre untersucht werden. Dabei wird es zunehmend wichtig, die Verknüpfung des Umwelt- und Klimazustandes mit den Prozessen auf kontinentaler Skala auf verschiedenen Erdteilen und in allen Breiten von den Tropen bis in die Polregionen zu erfassen. Spezifische Forschungsschwerpunkte sind auf nationaler Ebene beschrieben 5 : AFO 2000 des BMBF: Konzept für vorrangige mittelfristige deutsche Atmosphärenforschung; AFS des BMBF: Forschungsrahmenkonzept "Atmosphärisches Aerosol"; NKGCF: Bericht des Nationalen Komitees für Global Change Forschung von 1998 sowie des gerade beendeten Kolloquiums von 26./27. Januar 2001; HGF: Konzept der Sektionen Atmosphäre und Klima und Erdsystemforschung im Forschungsbereich Erde und Umwelt des HGF-Programms. Außer für nationale Forschungsprogramme soll das Flugzeug für die Forschung der beteiligten Institutionen in Deutschland im Verbund mit europäischen und anderen internationalen Partnern eingesetzt werden. Im internationalen Raum wurden dazu Konzepte in den Forschungsprogrammen des International Geosphere-Biosphere Programme (IGBP) und des World Climate Research Programme (WCRP) definiert. Hierzu gehören: IGBP/IGAC: International Global Atmospheric Chemistry Project. Siehe z.b. Atmospheric Chemistry in a Changing World; WCRP/GEWEX: Global Energy and Water Cycle Experiment; WCRP/SPARC: Stratospheric Processes And their Role in Climate. Der jetzt im Entwurf vorliegende Vorschlag der Kommission der Europäischen Gemeinschaften für das 6. Rahmenprogramm ( ) sieht vor, dass der Forschung zu globalen Veränderungen auch in Zukunft eine hohe Priorität gegeben wird. Derzeit spezifizieren Wissenschaftler Konzepte für Details der Forschung auf diesem Gebiet. Anwendungen der Satellitenfernerkundung zur Troposphärenforschung in Kombination mit Beobachtungen von Flugzeugen und anderen Messplattformen sind in dem neuen EUROTRAC-2-Projekt TROPOSAT beschrieben: 4 Siehe Bericht der IPCC Working Group I: IPCC Third Assessment Report "Climate Change 2001: The Scientific Basis", 5 Siehe Internet-Adressen in Anlage 2. 11

12 A Global Strategy for Atmospheric Interdisciplinary Research in the European Research Area AIRES in ERA; ein Vorgängerdokument hierzu erschien 1997: AIRES, EUR 17645, European Commission, pp. 45; TROPOSAT: The Use and Usability of Satellite Data for Tropospheric Research. Die beteiligten Nutzer aus den Hochschulen (u.a.: Universitäten Mainz, Frankfurt, Karlsruhe, Heidelberg, u.a.) beabsichtigen 6, bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wenn möglich einen Transregio-Sonderforschungsbereich (SFB) 7 zu beantragen, der sich speziell der Erforschung der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre mit Hilfe dieses Flugzeuges widmet. Hieran wollen sich Institute der HGF, MPG, und WGL beteiligen. Damit leistet dieses Projekt Beiträge zur Ausbildung und zur Zusammenarbeit zwischen Hochschulen und den großen Forschungszentren. Für die universitäre Forschung insgesamt wäre ein Schwerpunktprogramm der DFG anzustreben. 8 Kenntnisse über die Atmosphäre und die Erde als Ganzes sind zudem wichtig für die Luftfahrt (Sicherheit im Betrieb und Schutz vor Umweltauswirkungen der Emissionen), und die Raumfahrt (u. a. Validierung und Ergänzung satellitengestützter Erdbeobachtung, Kommunikation und Navigation). Es wird beantragt, diese Beschaffung als nationales Projekt durchzuführen. Es soll die Forschung an den deutschen Instituten stärken. Das Projekt würde die Grundlage für die Bildung eines Kompetenzzentrums auf dem Gebiet der flugzeuggestützten Atmosphärenforschung bereiten. Die Beschaffung des Flugzeuges wird von europäischen Partnern befürwortet 9. Bei Großgeräten ist eine internationale Zusammenarbeit zur Teilung der finanziellen Lasten und zur Einbindung der Ideen, Instrumente und Infrastrukturen der Partner unbedingt notwendig. Europäische Projekte stützen sich immer häufiger auf den kombinierten und komplementären Einsatz mehrerer Flugzeuge, zumeist aus verschiedenen Ländern, zusammen mit anderen Untersuchungsmethoden und zusammen mit einem Team an Wissenschaftlern für Vorhersage und Analyse der Prozesse. Dieses Konzept ist typisch für die moderne Atmosphären- und Erdsystem-Forschung und wurde vielfach in Kampagnen, siehe Tabelle 2 in Anlage 5, erfolgreich realisiert. Im derzeitigen 5. Rahmenprogramm kann die EU jedoch nur die Nutzung durch Wissenschaftler aus Ländern außerhalb des Sitzlandes fördern, nicht aber die Nutzung durch Miteigentümer und auch nicht Investitionen für neue Geräte. Für das 6. Rahmenprogramm plant die EU die Möglichkeit der teilweisen Förderung von Investitionen für Forschungsinfrastruktur. Eine positive Entscheidung hierzu hängt von der Zustimmung der Nationen ab, die dies teilweise als ihre nationale Kompetenz ansehen. Zudem wird die EU möglicherweise nur 10 % der für Investitionen erforderli- 6 Vertreter der Nutzerinstitute von den Universitäten Frankfurt, Heidelberg, Karlsruhe und Mainz haben dies auf einem Treffen in Mainz am 25. Januar 2001 besprochen. 7 Ein Transregio ist ein neuer SFB-Typ; er umfasst in der Regel zwei bis drei Standorte. Hier besteht der Bedarf, einen solchen SFB an mehr als drei Standorten zu realisieren. 8 Wünschenswert wäre es, ähnlich wie bei METEOR und POLARSTERN, hierfür ein Schwerpunktprogramm bei der DFG einzurichten. Weiter werden Nutzer fallweise bei der Kommission der EU, bei der DFG und dem BMBF und bei anderen Forschungsförderorganisationen Forschungsmittel zur Vorbereitung, Begleitung und Auswertung von Forschungsvorhaben mit Forschungsflugzeugen beantragen. 9 Bestätigt bei EUFAR-Workshop in Toulouse im Dezember

13 chen Mittel fördern können. Die Beschaffung und die Grundlast des Betriebs eines Flugzeugs bleibt daher auch im europäischen Verbund eine nationale Aufgabe. 3. Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele 3.1 Forschungsthemen Das Flugzeug soll primär für die Atmosphärenforschung und Erderkundung auf folgenden Gebieten eingesetzt werden: 1. Chemie und Transport von Spurenstoffen in der Troposphäre und unteren Stratosphäre. 2. Ozonzerstörung in der Stratosphäre. 3. Integrierte Untersuchungen der Wechselwirkungen Chemie-Klima-Biosphäre- Mensch. 4. Transporte und chemische Umsetzungen in konvektiven und turbulenten Systemen. 5. Niederschlag und Strahlungstransport Kernthemen der Meteorologie und Klimaforschung. 6. Untersuchung der Meereisverteilung im Rahmen der Polarforschung. 7. Erforschung der Auswirkungen von Emissionen des Luftverkehrs auf die Chemie der Tropopausenregion und auf die Bildung von Aerosolen und Wolken. 8. Erderkundung, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Kohlenstoffkreislauf. 9. Erprobung, Validierung und Ergänzung vorhandener und neuer Fernerkundungsmethoden. Weitere Aufgaben können hinzukommen, z.b. aus der Fernerkundung der Erde mit Radar und optischen Verfahren, der Telekommunikation und der Verkehrsforschung 10. Neben den Emissionen des Luftverkehrs sind auch die anderer Verkehrsarten zu betrachten, einschließlich denen des (transkontinentalen) Schiffsverkehrs. Zu vielen der Aufgaben lassen sich mit einem Forschungsflugzeug, wie hier beantragt, wesentliche Fortschritte und entscheidende Antworten auf wichtige Fragen erwarten. Andererseits unterliegen die Fragestellungen mit fortschreitendem Wissen einem stetigen Wandel, so dass hier nur die gegenwärtige Situation beschrieben werden kann. Wie am Beispiel des 25-jährigen Jubiläums des Forschungsflugzeugs FALCON des DLR in 2001 deutlich wird, ist davon auszugehen, dass ein solches Flugzeug mehrere Jahrzehnte für laufend erneuerte Fragestellungen und Projekte benötigt und eingesetzt wird. Die Aufgaben werden im folgenden kurz erläutert. Dazu werden die Fragestellungen, die Anforderungen an das Flugzeug, und die einzusetzenden Messinstrumente knapp beschrieben. Bezüglich des Standes des Wissens wird auf die zuvor zitierten Konzepte aus AFO 2000, IGBP/IGAC und WCRP/GEWEX bzw. SPARC verwiesen, sowie auf die Veröffentlichungen der beteiligten Nutzer (Anlage 6). Tabelle 3 (in Anlage 5) nennt einige der laufenden Projekte im Programm AFO-2000 des BMBF, bei denen Forschungsflugzeuge für die obere Troposphäre und Stratosphäre eingesetzt werden. Die Tabelle 1 (Anlage 5) nennt Forschungsinstitute in Deutschland, die an den oben genannten Themen und der Nutzung des HALO-Flugzeuges interessiert sind. In Zukunft werden weitere Themen und Nutzer hinzukommen. 10 Beispielsweise plant das Institut für Meteorologie und Klimaforschung der Universität Hannover das Flugzeug für Anwendungen auf dem Gebiet der Flugmeteorologie einzusetzen. 13

14 3.1.1 Chemie und Transport von Spurenstoffen in der Troposphäre und unteren Stratosphäre Die obere Troposphäre und untere Stratosphäre spielen eine kritische Rolle in den Wechselwirkungen zwischen Klima und den anthropogenen Veränderungen der Atmosphäre. Änderungen von Wasserdampf, Ozon und anderen Treibhausgasen entfalten in dieser Höhe ihre größte Wirkung auf den Strahlungshaushalt der Erde. Die Tropopausenregion ist besonders in niedrigeren Breiten noch weitgehend unerforscht, nicht zuletzt, weil geeignete Messflugzeuge für diesen Bereich bisher fehlen. Die Chemie der Atmosphäre wird auf Zeitskalen von Stunden bis Tagen durch starke Wechselwirkungen über den gesamten Höhenbereich der Troposphäre geprägt. Die planetare Grenzschicht in den untersten 1-2 km der Atmosphäre ist chemisch besonders aktiv. Umsätze und Konzentrationen sind hier am höchsten. Sie wird mit am stärksten durch menschliche Aktivitäten gestört. Durch vertikale Transporte ist diese Region mit der mittleren und oberen Troposphäre auf teilweise kurzen Zeitskalen (z.b. in zyklonalen Wettersystemen) verbunden. Wegen der nichtlinearen Verknüpfung von Transporten und chemischen Reaktionen können die Beziehungen zwischen Emissionen und Konzentrationen von wichtigen Spurengasen nur bei einer ganzheitlichen Betachtung der Troposphäre verstanden und quantifiziert werden. In Deutschland verfügen mehrere Gruppen über entsprechende Messerfahrungen und Instrumente. Hierzu gehören MPI Mainz, Heidelberg, AWI, DLR, FZJ, Uni. Frankfurt, Uni. Mainz, IfT Leipzig, GKSS. Bisher haben diese Gruppen hierzu Forschung durch Nutzung z.b. der FALCON des DLR, der Polarflugzeuge Polar 2 und Polar 4 (beide vom Typ DO 228), der Citation der TU Delft, eines Learjets des Verbundes der Firmen GFD und enviscope, oder durch Mitflug auf amerikanischen (NASA DC-8), britischen (Herkules/C-130 des UK Met.Office) oder russischen Messflugzeugen (Geophysica) betrieben. Diese Flugzeuge erwiesen sich aber oft als zu klein (FAL- CON, Citation, Learjet), unzureichend in der Flughöhe (DO 228, DC-8, Herkules) oder waren nur begrenzt verfügbar (Geophysica). Wie in Kap. 4 weiter ausgeführt, steht der deutschen Forschung für Messungen im Höhenbereich bis zu 13.7 km und mit einer Nutzlast von mehr als 1.2 Tonnen nur die FALCON des DLR zur Verfügung. Abb. 1 illustriert die Größe der FALCON im Vergleich zur DC-8 der NASA. Die FALCON ist offensichtlich zu klein, um mit den Flugzeugen der Amerikaner in Bezug auf Reichweite, Nutzlast und Zahl der teilnehmenden wissenschaftlichen Gruppen konkurrieren zu können. Mit HALO wäre es einerseits möglich, wesentliche Fortschritte zu folgenden aktuellen Forschungsthemen zu erzielen: Spurengasbilanz von Komponenten der Luftchemie der Troposphäre und untersten Stratosphäre, insbesondere Ozon, Methan, Kohlenmonoxid, Stickoxide, Schwefelverbindungen, Kohlenwasserstoffe, Halogene etc.; Änderungen des Wasserdampftransportes in die oberste Troposphäre und in die unterste Stratosphäre; Transport von Spurenstoffen der planetaren Grenzschicht in die obere Troposphäre und deren chemischer Umsatz; Konzentration, Quellen und Senken von Hydroxylradikalen in der gesamten Troposphäre; Jahreszeitliche und räumliche Variabilität des Stratosphären-Troposphären Austauschs; 14

15 Photochemische Bildung von Ozon und Oxidation von Spurenstoffen, die u.a. als Treibhausgase wirken; Eintrag von Spurengasen und Aerosolen aus der tropischen Troposphäre in die untere Stratosphäre; Horizontaler interhemisphärischer Luftmassenaustausch in den Tropen; Struktur und Intensität der Turbulenz in der Troposphäre und in der atmosphärischen Grenzschicht, z.b. über variablem Untergrund; Austauschvorgänge in Fronten und Konvergenzgebieten. Mit HALO (und den dabei einsetzbaren Messinstrumenten) könnte andererseits beispielsweise geklärt werden, ob Halogene auch an Zirren in der oberen Troposphäre so aktiviert werden, dass sie die Ozonkonzentration in der Tropopausenregion wesentlich beeinflussen. Abb. 1. FALCON des DLR und DC-8 der NASA im Oktober 1997 auf dem Flugfeld in Shannon Irland bei einer gemeinsamen transatlantischen Messkampagne (POLI- NAT 2/ SONEX) Ozonzerstörung in der Stratosphäre In der Arktis und über Europa wird etwa seit 1990 ein messbarer Ozonverlust beobachtet. Besonders stark ist der Ozonverlust in Wintern mit kalter Stratosphäre. Starke Vulkaneruptionen, wie die des Pinatubo im Jahr 1991, vervielfachen die Aerosolkonzentration in der Stratosphäre über Jahre und verstärken den Ozonabbau zeitweilig stark. Modellrechnungen erklären derzeit den beobachteten Ozonverlust in einigen (kalten) Wintern recht gut, in anderen Fällen zeigen sich noch Abweichungen von ca. 50 % zwischen Messung und Modellrechnung. In mittleren Breiten wird ein Trend zwar beobachtet, ist aber bisher nicht wirklich verstanden. Hier spielen sowohl dynamische wie chemische Prozesse eine Rolle. Zu den dynamischen Prozessen gehören Austauschprozesse zwischen dem Polarwirbel und den Luftmassen in mittleren Breiten und Änderungen der Tropopausenhöhe. Aufgrund der verminderten FCKW-Emissionen nimmt der Chlorgehalt der Atmosphäre nicht mehr weiter zu. Es wird aber Jahrzehnte dauern, bis die Chlorkonzentra- 15

16 tion wieder auf den Stand der 70er Jahre zurückgekehrt ist. Allerdings nimmt der anthropogene Gehalt von reaktivem Brom, das ein wesentlich stärkeres Ozonabbaupotenzial als Chlor aufweist, weiterhin stark zu. Die Entwicklung der Ozonschicht in der Zukunft ist daher ungewiss. Neue Vulkane könnten ausbrechen und unerwartete Änderungen auslösen. Die Zunahme der Konzentration von Kohlendioxid und anderen Treibhausgasen in der Atmosphäre kann zu einer weiteren Abkühlung der Stratosphäre führen, dadurch zu mehr Eiswolken, zu mehr Chloraktivierung und zu einer Denitrifizierung und daher stärkerem Ozonabbau. Es ist daher notwendig, die maßgeblichen Prozesse noch besser zu verstehen und die weitere Entwicklung der Ozonschicht zu beobachten. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass ein Großteil des nicht erklärten Ozonverlustes in der untersten Stratosphäre auftritt, in Höhen von ca. 13 bis 20 km. Zumindest der untere Teil dieser Schicht ist in-situ-messungen mit einem entsprechenden Flugzeug zugänglich. Mit HALO könnte deshalb der unterste Bereich des Polarwirbels, in dem der starke Ozonabbau stattfindet, umfassend untersucht werden. Solche Messungen erlauben auch die Quantifizierung des Transportes von Wirbelluft in die Troposphäre bzw. in die unterste Stratosphäre über mittleren Breiten. Für den darüber liegenden Teil kann Fernerkundung von Flugzeugen (zusammen mit Messungen vom Boden, von Ballonen und Satelliten) aus wesentliche Informationen beitragen. Im Jahr 2001 soll der Satellit ENVISAT gestartet werden, der u.a. speziell zur Messung von Spurenstoffen in der Stratosphäre ausgerüstet ist. Die Messungen dieses Satelliten müssen validiert, kalibriert und mit anderen Messungen ergänzt werden. Der Satellit sollte zumindest 5 Jahre im Betrieb sein (bis 2006 oder länger). Deutsche Wissenschaftler (vom Forschungszentrum Karlsruhe und der Universität Bremen) sind als Principle Investigator an den Sensoren MIPAS und SCIAMACHY beteiligt. Die operationelle Datenverarbeitung erfolgt am Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR. Zusätzliche Parameter werden am IMK des FZK und an der Uni Bremen ausgewertet. Mehrere der in Tabelle 1 genannten Nutzer-Gruppen haben Valdierungs- und Interpretationsexperimente vorbereitet. In den letzten 10 Jahren hat es zu diesem Thema insgesamt erhebliche Forschungsanstrengungen im Rahmen des Ozonforschungsprogramms (OFP) des BMBF, den Forschungsprogrammen der EU (SESAME, THESEO) und international (z.b. SOLVE der NASA zusammen mit europäischen Partnern im Winter 1999/2000) gegeben. Der Stand des Wissens 1999 ist in einer umfangreichen Bestandsaufnahme der WMO/UNEP dokumentiert (WMO Report 44, ca. 400 Seiten). Deutsche Gruppen haben zu diesem Wissen mit Messungen auf Flugzeugen (Transall der Bundeswehr bis 1996, FALCON, Lear Jet, Citation II, und Geophysica) entscheidend 11 beigetragen. Mit HALO wäre es deutlich besser möglich, die Polarregionen zu erreichen und in Höhen bis ca. 15 km Messungen vorzunehmen. Damit ließen sich wesentliche Fortschritte zu folgenden Themen erzielen: Transport und Dynamik von Luftmassen zwischen dem Polarwirbel und mittleren Breiten. Bildung von Schwerewellen über Gebirgen und ihr Einfluss auf die Bildung von polaren stratosphärischen Wolken und Halogen-Aktivierung. 11 siehe: Stratospheric Ozone 1999 (N. R. P. Harris, M. Guirlet, and G. T. Amanatidis, editors), European Commission, Directorate-General for Research, Brussels, Air Pollution Report 73, EUR 19340, 2000; sowie: R. Zellner et al. (Hrsg.) "10 Jahre deutsche Ozonforschung ", Eine Dokumentation des Ozonforschungsprogramms des BMBF, 1999; ISBN: ) 16

17 Beitrag von sedimentierenden Partikeln aus polaren stratosphärischen Wolken zur Denitrifizierung der Stratosphäre und Nitrifizierung der untersten Stratosphäre und Tropopausenregion (Höhenbereich 10 bis 15 km). Validierung und Interpretation der Messungen von Spurenstoffen mit ENVISAT im Zeitraum bis ca Abb. 2: Ozonabnahme in der unteren Stratosphäre und Veränderung der Tropopausenhöhe zwischen 1967 und 2000 (aus Claude et al., "Ozonklimatologie und Ozontrends", in Zellner et al. (Hrsg.) "10 Jahre deutsche Ozonforschung "). Mit HALO könnte so entscheidend zur Nutzung von Satellitendaten, zur Beantwortung der Frage nach den Ursachen des Ozonabbaus und zu den Grundlagen der Prognose der weiteren Entwicklung beigetragen werden. Bei gemeinsamen Missionen mit dem Stratosphärenforschungsflugzeug GEOPHYSICA (Höhen bis zu 22 km) könnte eine umfassende Prozessstudie zur räumlichen und zeitlichen Entwicklung des Ozonabbaus im arktischen Polarwirbel erfolgen Integrierte Untersuchungen der Wechselwirkungen Chemie-Klima- Biosphäre-Mensch. Zu untersuchen sind die Wechselwirkungen Chemie-Klima-Biosphäre-Mensch in Schlüsselregionen, in denen sich dramatische Veränderungen abspielen, die sich auf die globale Umwelt auswirken. Auslöser dieser Veränderungen sind die Zunahme der Weltbevölkerung und die rapide zunehmende Industrialisierung eines wachsenden Anteils dieser Bevölkerung, die großräumige Änderung der Landnutzung, besonders in den Tropen (Entwaldung), und die Änderungen des globalen und regionalen Klimas. Diese Einflüsse und ihre Auswirkungen auf das System Erde sind in einigen Regionen besonders intensiv zu beobachten, weshalb sich diese Regionen als Modellfälle zur wissenschaftlichen Untersuchung besonders eignen: 17

18 Der eurasische Raum, insbesondere die Borealzone, in der schon jetzt eine bisher ungekannt rasche Klimaveränderung beobachtet wird und daher die Gelegenheit besteht, die Wechselwirkungen zwischen Klimawandel, Biosphäre und Atmosphärenchemie zu untersuchen. Das Amazonasbecken, wo großräumige Landnutzungsänderung und Entwaldung die Prozesse der Selbstreinigung der Atmosphäre und des energetischen Antriebs der globalen atmosphärischen Zirkulation empfindlich stören werden. Der südostasiatische Raum, mit dem Fokus auf der direkten Belastung der Atmosphäre durch rapides Bevölkerungswachstum, Industrialisierung, und Urbanisation. Abb. 3. Weltkarte mit der Verteilung von NO 2 (Säulenkonzentration; abgeleitet aus Messungen des Sensors GOME auf dem Satelliten ERS-2) mit deutlich erkennbaren regionalen Quellen, u.a. im Lee von großen Industrieregionen (C. Leue et al., Uni. Heidelberg, 1999). Mit HALO würden diese Regionen in einer bisher nicht gekannten Weise zugänglich. Damit würden der Forschung neue Anwendungsgebiete eröffnet Transporte und chemische Umsetzungen in konvektiven und turbulenten Systemen Die HGF bereitet gegenwärtig in ihrer Sektion Atmosphäre und Klima ein mehrstufiges Großexperiment TRACKS (Transporte und chemische Umsetzungen in konvektiven Systemen) vor. Das Experiment dient dem Ziel, konvektive Systeme von der kleinräumigen Turbulenz bis zur hochreichenden Wolkenkonvektion in Gewitterkomplexen und Fronten in verschiedenen Klimazonen experimentell zu erforschen. In 18

19 einem Zeitraum von 6 bis 8 Jahren werden dabei konvektive Systeme über dem Nordmeer, dem europäischen Kontinent in mittleren Breiten und in den Tropen untersucht. Das Experiment benötigt ein Forschungsflugzeug großer Reichweite und Nutzlast. Ein besonderer Schwerpunkt wird dabei auf der Untersuchung des durch Turbulenz bedingten Transports von Impuls, Wärme und Spurenstoffen liegen. Dies erfordert Messungen auf allen Höhen der Troposphäre und unteren Stratosphäre. Turbulenz spielt zudem für die Sicherheit und den Komfort in der Luftfahrt eine Rolle als Clear Air Turbulence. 25 km 20 Tropopause 15 Ausmischung Höhe Absinken Einmischung Tropische Gewitter Subtropen- Strahl strom Dynamik+Chemie Frontale Systeme, Subtropikluftgewitter Polarfront- Strahlstrom Konvektion in polarer Luft Breite in Grad Abb. 4. Tropische und extratropische konvektive Systeme (erstellt von H. Smit; entnommen aus dem HGF-TRACKS-Antrag, 2001) Mit HALO wären Fortschritte zu folgenden aktuellen Forschungsthemen möglich: Dynamik von konvektiven Systemen; Vertikaler Transport von Impuls, Energie, Wasser und Spurengasen in konvektiven Systemen; Beiträge von Gewittern in mittleren Breiten und in den Tropen zu den globalen Quellen von Stickoxiden; Bildung von Zirren im Ausfluss von Gewittern und an Fronten; Beitrag von Gewittern als Quelle für Aerosolvorläufersubstanzen und die Bildung von Aerosolen; Beitrag hoher Konvektion zur Befeuchtung oder zum Austrocknen der oberen Troposphäre; Turbulenz in der Atmosphäre: z.b. Klimatologie von Vertikalbewegungen und Turbulenz in der Tropopausenregion, insbesondere im Umfeld von Zirren und deren Einfluss auf die Bewölkung, die Nukleation von Partikeln und die Verteilung von Wasserdampf und anderen Aerosolvorläufersubstanzen. Mit HALO im Konzert mit anderen Messmethoden und Modellrechnungen ließe sich die heute noch vorhandene Unsicherheit (ca. Faktor 10) in der Quantifizierung des

20 Beitrages von Blitzen in Gewittern zu den globalen Stickoxidquellen erheblich (möglicherweise auf Unsicherheitsfaktor <2) reduzieren Niederschlag und Strahlungstransport Kernthemen der Meteorologie und Klimaforschung Der Energie- und Wasserhaushalt der Erde gehört zu den fundamentalen Komponenten des Wetter- und Klimasystems (siehe Projekt GEWEX im Weltklimaforschungsprogramm). Nach wie vor gehört der Niederschlag zu den am wenigsten verstandenen Komponenten. Niederschlag bildet sich, wenn Wolkentropfen und gefrorene Partikel (allgemein: Hydrometeore) in Wolken groß genug geworden sind, um bis zum Boden zu fallen ohne zuvor zu verdunsten. Die Bildung von Niederschlagspartikeln ist komplex. Sie umfasst Prozesse wie das Quellen von Aerosolen in feuchter Luft, die Nukleation von Tropfen und Eispartikeln, das Wachstum von Partikeln durch Deposition von Wasserdampf zunächst auf Eispartikel, durch Koagulation mit anderen Hydrometeoren, durch Gefrieren, Schmelzen und andere Prozesse. Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei die Wechselwirkung dieser mikrophysikalischen Prozesse mit der Dynamik innerhalb und außerhalb von Wolken. Modelle haben bisher angenommen, dass sich Zirren bilden, sobald die Feuchte in der Atmosphäre die Eissättigung erreicht und dass die überschüssige Feuchte in Eisteilchen umgewandelt wird. Tatsächlich wurden kürzlich mit Flugzeugmessungen in der oberen Troposphäre jedoch große Gebiete mit Feuchten oberhalb der Eissättigung gefunden, wofür die Ursachen nur unzureichend verstanden sind. Ein Einfluss menschlicher Aktivitäten auf Niederschlagsprozesse wurde vor kurzem durch Fernerkundung nachgewiesen, ist aber in keiner Weise mechanistisch verstanden. Ein weiterer Prozess, der der Forschung bedarf, besteht in der Bedeutung der Wolken als chemische Prozessoren, denn die Tropfen und Hydrometeore nehmen natürliche und anthropogene Spurenstoffe, sowie Partikel auf und ermöglichen so chemische Reaktionen, die in der reinen Gasphase nicht vorkommen. Der Energiehaushalt der Erde hängt entscheidend vom Strahlungstransport ab. Der Strahlungshaushalt der Erde hängt u.a. von der Bewölkung ab. Im Mittel haben tiefe Wolken einen kühlenden Einfluss auf die Atmosphäre, hohe dünne Zirruswolken können das Atmosphären/Erdboden-System erwärmen. Die quantitativen Wirkungen hängen von vielen Parametern ab, wie Höhe und Temperatur der Wolken, Partikelphase, Wassergehalt, Zahl und Größe der Hydrometeore und vielem mehr. Hier besteht erheblicher grundsätzlicher und langfristiger Forschungsbedarf. Aerosole streuen und absorbieren Strahlung und haben daher einen direkten Effekt auf den Strahlungshaushalt. Zudem verändern sie die optischen Eigenschaften und die Lebensdauer von Wolken und beeinflussen so auf indirektem Wege den Strahlungshaushalt. Wie der neueste Bericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) vom Januar 2001 ausweist, sind die direkten und indirekten Aerosoleffekte auf den Strahlungshaushalt in ihrer Summe im Vergleich zu den Strahlungsantrieben der Treibhausgase etwa ebenso wichtig, aber bei weitem nicht so gut verstanden. 20

21 Abb. 5. Zonale Mittelwerte mittlerer Wolkenbedeckungsgrade (oben in %) und Niederschlagsmengen (unten, in mm/tag) in Abhängigkeit von der Breite von 30 Zirkulationsmodellen im Vergleich mit Beobachtungsdaten (OBS, schwarz, aus Satellitendaten) (L. Gates et al., Bull. Amer. Met. Soc., 80, 29-55, 1999). Dargestellt sind die zonalen Mittelwerte. Das Bild zeigt, dass hier noch erhebliche Unterschiede zwischen den Ergebnissen verschiedener Modelle und zu Beobachtungen bestehen (aus dem TRACKS-Konzept der HGF). Cirren beeinflussen den Energieeintrag insbesondere in den Subtropen. Über den Kontinenten wird dort der Energieeintrag auch vom mineralischen Aerosol beeinflusst. Deren Untersuchung erfordert in-situ Messungen und aktive Fernmessverfahren (Mehrwellen-LIDAR nach unten und nach oben gerichtet, inklusive Polarisationsmessung). Zirren werden stark auch von kleinen Vertikalbewegungen der Atmosphäre beeinflusst. Man muss daher die Vertikalgeschwindigkeit möglichst auch im Bereich von mm/s messen. In Deutschland verfügen eine Reihe von Gruppen über entsprechende Messerfahrungen und Instrumente, teils aus dem bisherigen SFB 233 ( Chemie und Dynamik der Hydrometeore ) in Frankfurt/Mainz/Darmstadt, am IfT und der Uni Leipzig und aus mehreren EUROTRAC- und EU-Projekten. Mit HALO sollen die folgenden Themen erforscht werden: 21

22 Bestimmung der Wolkenmikrophysik als Funktion der dynamischen Wolkenparameter und der Anzahl und Eigenschaften der Wolkenkondensationskerne; Partikelbildung und Wachstum im Bereich der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre; Einfluss der turbulenten Vermischung auf die Wolkenmikrophysik; Untersuchung des Einflusses von anthropogenen Aerosolen auf Niederschlagsbildungsmechanismen und daraus resultierende Konsequenzen für regionalen Wasserhaushalt und globale Zirkulationsdynamik; Bestimmung der vertikalen und horizontalen Größe von Gebieten mit hoher relativer Feuchte (über der Eissättigung) in der oberen Troposphäre; Bestimmung von Zirruseigenschaften und ihrer Auswirkungen auf die Niederschlagsbildung (z. B. Findeisen-Bergeron-Prozess); Einfluss der Zirren (insbesondere auch der optisch dünnen Zirren) auf den Strahlungshaushalt (z.b. anomale Absorption) Untersuchung der Meereisverteilung im Rahmen der Polarforschung Die Eisbedeckung der polaren Ozeane beeinflusst maßgeblich die Energie-, Massen-, und Impulsflüsse zwischen Ozean und Atmosphäre und wirkt sich damit empfindlich auf das polare Klima aus. Klima- und regionale Vorhersagemodelle benötigen daher in polaren Breiten räumlich und zeitlich möglichst hoch aufgelöste Daten der Konzentration und Dicke von Meereis. Die Eiskonzentration lässt sich von Satelliten aus mit Hilfe passiver Mikrowellensensoren bestimmen. Während der Sommermonate und in den Eisrandgebieten sind die Ergebnisse allerdings mit großen Fehlern behaftet. Für viele Modelle wäre erstens eine höhere Genauigkeit der Messung und zweitens eine bessere räumliche Auflösung als die derzeit erzielbare ( km) wünschenswert, so dass zur Validierung gekoppelter Ozean-Atmosphären-Meereismodelle und zur Entwicklung verbesserter Algorithmen der Meereisfernerkundung auch Messungen von Flugzeugen aus durchgeführt werden sollten. Hierfür werden derzeit die beiden Polarflugzeuge des AWI (Do 228) genutzt, die jedoch auf Grund ihrer begrenzten Reichweite nur einen sehr kleinen Teil der jeweiligen Modellgebiete oder der von Satelliten erfassten Gebiete abfliegen können. Eine Erhöhung der Reichweite durch Einsatz eines Großflugzeuges wäre wünschenswert, um insbesondere auch die zentrale Arktis erreichen zu können, was derzeit nicht möglich ist. Am AWI wird eine Flugzeugschleppsonde entwickelt, mit dem sich auch die Meereisdicke und damit das Volumen des Eises bestimmen lässt, was vom Satelliten aus nicht möglich ist. Deren Einsatz von einem Flugzeug großer Reichweite könnte wertvolle Informationen über Klimaänderungen liefern, die sich in einer veränderten Eisdicke bemerkbar machen. Neueste Studien zeigen außerdem, dass die Höhe des aus dem Wasser ragenden Eisschollenanteiles (Freibord) aus Satelliten-Radaraltimetermessungen abgeleitet werden kann. Die zukünftig zu entwickelnden Verfahren und Algorithmen, beispielsweise im Rahmen der CryoSat-Mission der ESA, erfordern aber umfangreiche Bodendaten zur Kalibrierung und Validierung der Satellitenmessungen. Das DLR nutzt in Kooperation mit dem AWI Satelliten-SAR-Daten (SAR: Synthetic Aperture Radar) zur Bestimmung der Meereisverteilung und zur Ableitung von Meereisparameter. Die Daten werden in ein neues 5-Tage Meereisvorhersagemodell assimiliert (HGF-Strategiefondsprojekt ENVOC). SAR-Interferometrie wurde auch verwendet, um Drift und Rotation von Meereisschollen zu messen. 22

23 Wichtige Aufgaben für ein Weitstreckenflugzeug für die Arktis (und Antarktis) sind deshalb: Beobachtungen von Änderungen in der Dickenerteilung des Meereises mit Laser- Altimetrie und elektromagnetischen Verfahren. Dies schließt die Bestimmung der Presseisrückenstatistik mit ein, die ein Maß für den Deformationsgrad des Eises ist. Kalibrations-/Validierungsflüge im Zusammenhang mit Satellitenmessungen, insbesondere der CryoSat-Mission, mit Laser- und Radaraltimetern. Ableitung hochaufgelöster und genauer Felder von Eiskonzentration, Schollenund Rinnengrößen, Schmelztümpelbedeckung usw. mit Mikrowellenradiometern und optischen Sensoren insbesondere im Zusammenhang mit meteorologischen Grenzschichtstudien. Bestimmung der Eiskonzentration und anderer Eisparameter zur Verbesserung von Satellitenverfahren zur Ableitung dieser Parameter auf hemisphärischer Skala. Untersuchung des Einflusses von Wolken und Niederschlag auf aus Satellitendaten abgeleitete Eisparameter. Abwurf von Eisdriftbojen in weit entfernten Gebieten der Arktis, aus denen nur wenig Informationen über Eisdynamik, Lufttemperatur und -druck für Wettervorhersagen und Klimabeobachtungen gewonnen werden. Abb. 6. Eisbedeckung der Weddell- See am (NOAA-14 AVHRR Daten, DFD). 23

24 3.1.7 Erforschung der Auswirkungen von Emissionen des Luftverkehrs auf die Chemie der Tropopausenregion und auf die Bildung von Aerosolen und Wolken Der Luftverkehr beeinflusst die Atmosphäre durch Emissionen von Gasen und Partikeln und durch Kondensstreifen, die das Klima der Erde oder die Ozonverteilung und damit die Luftqualität und die UV-Strahlung am Boden beeinflussen können. Das Verständnis der Klimaauswirkungen ist für die zukünftige Entwicklung der Luftfahrt von strategischer Bedeutung. In einer internationalen Bewertung wurde der Beitrag des Luftverkehrs auf 3.5 % des totalen anthropogenen Strahlungsantriebs des Klimas seit Beginn der Industrialisierung geschätzt. Allerdings ist diese Bewertung noch sehr unsicher. Insbesondere zeigen Beobachtungen längerfristige Veränderungen der Zirrusbewölkung, möglicherweise durch Aerosole und Kondensstreifen aus dem Luftverkehr, ohne dass dies bisher schlüssig bewertet werden kann. Der Luftverkehr wird möglicherweise in den nächsten 50 Jahren um einen Faktor 3 bis 10 zunehmen. Die genauere Bestimmung des Klimaeffekts des Luftverkehr ist daher wichtig und wegen der langfristigen Bindung durch derzeitige technologische Entwicklungen dringlich. Fortschritte hängen hierbei stark vom Fortschritt des generellen Verständnisses der Physik und Chemie der Atmosphäre ab. Umgekehrt ermöglicht das Studium der atmosphärischen Reaktion auf die relativ gut definierten Störungen durch den Luftverkehr einen Erkenntnisgewinn genereller Natur. Zudem ist dies ein Beispiel für Themen, bei dem nationale (europäische) Interessen bei internationalen Verhandlungen nur auf der Basis eigener wissenschaftlicher Vorarbeiten durchsetzbar sind. Abb. 7. Mittlere Höhe der Tropopause im Juni und Dezember, Quellverteilung der Stickoxide aus dem Luftverkehr (rot im Bereich maximaler Quellstärke) und relevante Prozesse. 24

25 Auf diesem Gebiet ist das DLR zusammen mit Partnern aus der MPG, HGF, FhG und Universitäten und mit europäischen Partnern international führend. Es führt hierzu derzeit ein HGF-Strategiefondsprojekt zu Partikeln und Zirren (PAZI) durch. Bisher haben diese Gruppen hierzu Forschung durch Nutzung der FALCON, oder wie im Rahmen internationaler Experimente gemeinsam mit der DC-8 der NASA durchgeführt. Leider konnten dabei auf der FALCON nur wenige der verfügbaren und erforderlichen Instrumente eingesetzt werden. Die amerikanischen Kollegen verfügten über eine weitaus umfangreichere Nutzlast, erreichten aber nicht die gleichen Höhen. Wichtige Fragen, die es dringend zu beantworten gilt, lauten hier: Wie und in welchem Umfang beeinflussen Partikel (aus Flugzeugen und aus anderen Quellen) die Wolkenbildung und den Strahlungshaushalt der Atmosphäre? Wie hängen die Eigenschaften von Zirruswolken generell von Aerosolen aus dem Luftverkehr und anderen Quellen ab? Wie groß ist der Beitrag des Luftverkehrs zu Stickoxiden und zur Veränderung von Ozon und wie stark wird dabei das Treibhausgas Methan vermindert? Welche Rolle spielt die heterogene Chemie hinsichtlich Ozon in Zirren und Kondensstreifen? Wie groß ist die Verweilzeit von Spurenstoffe aus der unteren Stratosphäre und auf welchem Wege gelangen sie in die Troposphäre oder mittlere Stratosphäre? Zu allen diesen Fragen lassen sich mit HALO neue Ergebnisse erwarten, so dass dann die Wirkungen des Luftverkehrs im Vergleich zu denen andere Verkehrssysteme danach deutlich genauer bewertet werden könnte als heute Erderkundung, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Kohlenstoffkreislauf Die Erderkundung umfasst viele Anwendungen. Hier wird als Beispiel die Nutzung zur Erforschung des Kohlenstoffkreislaufes beschrieben. Viele weitere Aufgaben (wie z.b. zur Küstenforschung) werden im Verlaufe des Projektes zu vertiefen sein. Im Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt (Kyoto-Protokoll) sind Kenntnisse über den Kohlenstoffkreislauf von grundlegender Bedeutung. 12 Ziel der Forschung ist es, die natürlichen und anthropogenen Quellen und Senken von Kohlendioxid (CO 2 ) möglichst genau zu bestimmen. Letztlich muss ein System aufgebaut werden, dass die Überwachung operationell ermöglicht. Solch ein Messsystem kann in Teilen auf Fernerkundung von CO 2 und CH 4 mit SCIAMACHY oder neuen CO 2 -DIAL- Methoden sowie auf der Fernerkundung von Kohlenstoffparametern der Vegetation beruhen. In-situ-Messungen von CO 2 sind dazu ebenfalls erforderlich, allerdings vorwiegend in der unteren Troposphäre. Für den Aufbau eines operationell einsetzbaren Systems sind erhebliche Forschungsarbeiten zu leisten. Zur Untersuchung dieser Fragestellungen sind Messungen auf der Skala von Regionen bis zur Größe eines Kontinents erforderlich. Wichtig sind dabei: Kombinierter Einsatz von in-situ-instrumenten mit einem DIAL für CO 2 ; in-situ- und Fernmesssysteme für das Windfeld; Messung chemischer Komponenten, die als Tracer für Teile 12 Siehe u.a.: DLR-Workshop vom Juli 2000, DLR, Oberpfaffenhofen, Möglichkeiten zur Ü- berwachung von Komponenten des Spurenstoffkreislaufes im Zusammenhang mit den Vereinbarungen des Kyoto- und Montreal-Protokolls: Eine Bestandsaufnahme: Empfehlungen für den Aufbau eines operativen Überwachungssystems; DLR, DFD und IPA Oberpfaffenhofen, Jan

26 des Kohlenstoffkreislauf, insbesondere dessen anthropogene Komponenten, dienen können (z. B. CO, Aerosole, halogenierte Kohlenwasserstoffe). DIAL-Methoden für CO 2 sind bisher nicht realisiert; know-how dazu existiert für andere Spurengase. Das Windfeld kann mit Dropsonden oder einem Doppler-Lidar gemessen werden. Vegetationsparameter können mit Hilfe von Fernerkundung bestimmt werden. Besonders unsicher sind der Kohlenstoffkreislauf und die Größe und Variabilität des CO 2 Austauschs zwischen der Landbiosphäre und der Atmosphäre in den Tropen. Durch Konvektion werden Veränderungen am Boden dort oft rasch vertikal über die gesamte Luftsäule bis in die untere Stratosphäre verteilt. Um die Kohlenstoffflüsse Amazoniens, Afrikas und Südostasiens zu quantifizieren, sind deshalb Messungen des konvektiven Transports von Kohlenstoff und verwandter Spurensubstanzen in die gesamten Troposphäre notwendig, insbesondere von CO 2, CH 4, CO, des O 2 /N 2 Verhältnisses und von 222 Radon. Abb. 8. Normalisierter Vegetationsindex (NVDI) aus Satellitendaten für Europa (DFD, S. Dech, DLR-FB 97-52, 1997). Folgende Themen wären (u.a.) zu untersuchen: Das Forschungsflugzeug kann zum Test von satellitengetragenen Instrumenten benutzt werden, mit deren Hilfe Komponenten des Kohlenstoffkreislaufes per Fernerkundung zu messen sein sollten. Es könnte insbesondere benutzt werden, um CO 2 -DIAL-Methoden und Methoden zur Fernmessung von Vegetationsparametern des Kohlenstoffkreislaufes zu erproben. Zudem kann es selber für in-situ-messungen und für die Erforschung der maßgeblichen Prozesse eingesetzt werden. Durch Messungen des horizontalen Windes und der CO 2 -Konzentration in verschiedenen Höhen der Troposphäre entlang der Küsten der Kontinente lassen sich möglicherweise ausreichend Daten zur Bestimmung der kontinentalen und maritimen Kohlenstoffbilanz gewinnen. Zudem sollte man an Bord von HALO auf allen Flügen ständig den Wind und die CO 2 -Konzentration messen, um so langfris- 26

27 tig einen umfassenden Datensatz zu gewinnen, aus dem die Kohlendioxidbilanz abgeleitet werden kann. Die Genauigkeit der vorgesehenen Messungen mit SCIAMACHY zur troposphärischen CO 2 -Säule könnte man mit in-situ Messungen überprüfen. Damit wären entscheidende Fortschritte bei der Bestimmung des Kohlenstoffkreislaufes und bei der Vorbereitung eines operationellen Überwachungssystems für Treibhausgase möglich Erprobung, Validierung und Ergänzung vorhandener und neuer Fernerkundungsmethoden Die Kombination von Satellitenmessungen mit Messungen von Flugzeugen aus liefert eine synergistische Möglichkeit zur Erforschung des Erdsystems. Gegenwärtig wird eine Vielzahl von Satelliten-Missionen zur Fernerkundung der Atmosphäre und der Erde vorbereitet. Tabelle 5 nennt eine Reihe von bereits gestarteten oder geplanten Missionen, die Messdaten über die Eigenschaften der Troposphäre, Stratosphäre und Mesosphäre liefern. Diese Satelliten sind von unschätzbarem Wert. Messungen dieser Art nutzen die im Strahlungsfeld enthaltene Information. Zur Auswertung sind häufig Zusatzdaten oder Annahmen erforderlich. Für die Nutzung müssen die Messungen mit diesen Satelliten daher validiert, kalibriert und durch in-situ-messungen ergänzt werden. In Europa, mit wesentlicher Beteiligung deutscher Gruppen (u.a. Uni. Heidelberg, Bremen u.a.) wird das EUROTRAC-2 Subprojekt TROPOSAT zur Nutzung und Validierung von Satellitendaten vorbereitet. Das Projekt zielt auf die Untersuchung physikalischer und chemischer Prozesse in der Troposphäre, insbesondere durch integrierte Nutzung von Satellitendaten und Messdaten von anderen Plattformen. HALO kann hierzu wesentlich beitragen. Im Laufe des Jahres 2001 wird voraussichtlich der neue Umweltforschungssatellit ENVISAT gestartet, auf dem sich Sensoren befinden, die wesentlich auf deutsche Vorarbeiten zurückgehen, wie MIPAS und SCIAMACHY. Für ENVISAT hat die ESA, mit erheblichen deutschen Beiträgen, mehr als 1,5 Mrd. Euro investiert. Für eine zuverlässige Nutzung der Messdaten sind diese zu validieren und ggf. zu kalibrieren. Dazu sind Messungen von einem Forschungsflugzeug über die gesamte Lebenszeit des Satelliten (voraussichtlich 5 Jahre) erforderlich. Gegenwärtig werden Validierungs-Kampagnen mit vorhandenen Flugzeugen vorbereitet, die allerdings nur einen Teil der Aufgaben erfüllen können. Die Satelliteninstrumente auf ENVISAT sollen erstmals auch genauere Daten über die troposphärische Verteilung von Spurengasen liefern, die mit den bisher vorhandenen Geräten nicht möglich waren. Es wäre deshalb wichtig, das neue Flugzeug HALO möglichst früh, möglichst vor der Mitte der operationellen Phase von ENVISAT zur Validierung zur Verfügung zu haben, um Daten aus den Messungen im Bereich der unteren Stratosphäre und oberen Troposphäre zuverlässig und großräumig zu validieren. In den nächsten Jahren werden zahlreiche weitere Satelliten starten. Im Jahr 2002 soll der Satellit MSG (METEOSAT-second Generation, ein geostationärer Satellit, vorwiegend zur Messung meteorologischer und Strahlungseigenschaften der Erdatmosphäre) und in 2005 METOP (ein Messsystem aus polar umlaufenden Satelliten für die operationelle Meteorologie, mit Sensoren zur Messung von Temperatur, Feuchte 27

28 und Ozon) starten. Von 2005 bis 2006 soll mit GOCE das Beschleunigungsfeld der Erde vermessen werden. Mit CryoSat ( ) und SMOS (Soil moisture and ocean salinity mission; ) sind Messungen der Eisbedeckung in den Polregionen, zum Salzgehalt der Ozeane und anderer Parameter geplant. Die Validierung solcher Messungen ist langfristig wichtig. Abb. 9. Vergleich zwischen der Messung mit dem Lidar ALEX des DLR an Bord der FALCON in 13 km Höhe (links) mit dem Lidar LITE der NASA an Bord eines Shuttles in 250 km Höhe (rechts). In Farbe dargestellt ist die entfernungskorrigierte Rückstreuung des Laserlichtes an Wolkenpartikeln und Aerosolen. Der Vergleich lässt die, trotz leicht unterschiedlicher Messzeiten, grundsätzlich gute Übereinstimmung der beiden Beobachtungen erkennen. Gegenwärtig läuft u.a. die Vorbereitung für eine Atmospheric Dynamics Mission (ADM) der ESA mit einem neuartigen direkten Doppler-Detektions-Verfahren zur 28

29 Messung von Windfeldern auf der Basis eines UV-Lasers. Der Bau soll 2003 beginnen, der Start ist für 2007 geplant. Für zukünftige ESA-Explorer-Missionen wurden von deutschen Gruppen Experimente mit einem Wasserdampf-Differential- Absorptions-Lidar, H 2 O-DIAL (WALES; Water vapour lidar experiment in space) vorgeschlagen. Deutsche Gruppen sind an weiteren Missionsvorschlägen beteiligt, die derzeit bei der ESA untersucht werden. Hierzu gehören EarthCare (Earth clouds aerosol and radiation explorer), ACEChem (Atmospheric chemistry explorer), SPECTRA (Surface processes and ecosystems changes through response analysis), und WATS (Water vapour and wind in atmospheric troposphere and stratosphere). Die dabei entwickelten Fernerkundungs-Verfahren sind vor dem Bau zu erproben und nach dem Start zu validieren. Die ESA fördert sogenannte Opportunity-Missionen mit bis zu 80 Mio Euro. Das HALO-Projekt ist demnach vom Volumen her mit einer solchen Opportunity-Mission etwa zu vergleichen Anforderungen an das Forschungsflugzeug Experimente zur Untersuchung solcher Fragen erfordern internationale und interdisziplinäre Zusammenarbeit auf einer gemeinsamen Messplattform, oft sogar den simultanen Einsatz mehrerer Flugzeuge, koordiniert mit Messungen von Schiffen, Bodenstationen und Satelliten. Um sich hier in einer führenden Rolle beteiligen zu können, braucht die deutsche Atmosphärenforschung ein Flugzeug, das für folgende generelle Messaufgaben einsetzbar ist: Messungen auf der Skala von Kontinenten; Messungen auf der Skala von synoptischen Wettersystemen (Hoch- und Tiefdruckgebiete); Einsatz auf allen Breiten von den Tropen bis zu den Polen; Messungen in der oberen Troposphäre in den Tropen und in der untersten Stratosphäre in außertropischen Breiten, so hoch wie möglich; Messungen unter extremen meteorologischen Bedingungen in Wettersystemen mit hoher Turbulenz und hohem Gehalt an Niederschlagsteilchen, und über variablem Untergrund; Messungen im Umfeld von Gewittern 13 bis hin zur Höhe des Gewitteramboss, möglichst auch in den Tropen; Messungen über lange Strecken in der atmosphärischen Grenzschicht, z.b. dicht über dem Ozean; Messungen auf der Skala vom Nachlauf einzelner Flugzeuge (erfordert entsprechende Robustheit des Messträgers) bis hin zur Skala großer Verkehrsregionen wie dem Nordatlantik (erfordert große Reichweite); Messungen im Höhenbereich bis ca. 15 km, d.h. bis oberhalb des Unterschallverkehrs; Kombinierter Einsatz von mehreren großen in-situ- und Fernerkundungs- Instrumenten mit Instrumenten zur Charakterisierung der Luftchemie, der Aerosole, der Wolken, der Strahlungsflüsse, der Dynamik der Atmosphäre usw.; Integration der atmosphärischen Untersuchungen in einen systemaren Ansatz, der die Wechselwirkungen mit biosphärischen, wirtschaftlichen, und gesellschaftlichen Faktoren berücksichtigt. 13 Messungen mit Forschungsflugzeugen sind im Kern von Gewittern nicht möglich; in der zerfallenden Wirbelschleppe hinter einem Großraumflugzeug sind sie nur eingeschränkt möglich. 29

30 Eine generelle Aufgabe von Messungen, auf die hier nicht näher eingegangen wird, ist die Validierung von Modellen. Dies wird bei den jeweiligen Experimenten mit HALO in den meisten Fällen eine wichtige Rolle spielen. Eine weiteres wichtiges Ziel ist die Entwicklung neuer innovativer Instrumente, siehe Kap In der Regel muss das Instrument dem Einbauort angepasst werden. Dazu sind langfristige Entwicklungen in den Nutzerinstituten und Möglichkeiten zur wiederholten Erprobung der Instrumente an Bord eines Flugzeugs notwendig. Aus den wissenschaftlichen Zielsetzungen und Messaufgaben ergeben sich konkrete technische Anforderungen: Eine große Reichweite (>8000 km bzw. ca. 10 Flugstunden), um einfache Transfers, transkontinentale Experimente und entsprechend lange Messzeiten zu ermöglichen. Eine zulässige Gipfelflughöhe von mehr als 15 km (möglichst ft oder 15,5 km) und eine operationelle Einsatzhöhe bei maximaler Nutzlast von mehr als 13,5 km. Eine hohe Nutzlast (mehr als 3 Tonnen) und große Nutzfläche (20-30 m 2 ), damit Messungen mit zahlreichen Experimenten und wissenschaftlichem Personal aus mehreren Gruppen (multidisziplinär, international) durchgeführt werden können. Eine gute Modifikationsfähigkeit zur flexiblen Nutzung als Forschungsflugzeug für verschiedene Anwendungen und Sensorkonfigurationen. Eine Tauglichkeit auch für den Einsatz unter extremen Flug-Bedingungen wie starke Turbulenz, tiefe Temperaturen etc, soweit zulässig. Diese Anforderungen sollen auf der Basis eines weltweit am Markt vorhandenen Flugzeugtyps soweit als möglich abgedeckt werden. Die Kopplung von Flugzeug- Neuentwicklungen mit der Nutzung führt, wie die Erfahrung aus früheren Projekten gelehrt hat, zu unakzeptablen Risiken. Es kommt nur ein bemanntes Flugzeug in Frage. Wie später noch vergleichend begründet wird, können die zuvor genannten Anforderungen weitgehend nur mit zwei kommerziell erhältlichen Flugzeugtypen erfüllt werden: Gulfstream G V des amerikanischen Herstellers Gulfstream Aerospace Company (General Dynamics), und Global Express des kanadischen Herstellers Bombardier. Beide Flugzeuge sind mit Triebwerken vom Typ BR 710 aus deutscher Produktion (Rolls-Royce Deutschland) ausgerüstet (ca. 1/3 der Kosten des Basis-Flugzeugs). Die Umrüstung zu einem Forschungsflugzeug kann gegebenenfalls bei deutschen Niederlassungen oder Partnerfirmen in der Verantwortung des Herstellers erfolgen. Hierüber ist im Rahmen der endgültigen Flugzeugauswahl mit dem Lieferanten eine einvernehmliche Regelung als wesentliches Auswahlkriterium zu finden. 30

31 Abb. 10. Fotos der Gulfstream V (oben) und der Global Express (unten) 3.3. Anforderungen an das Nutzungskonzept Für die Erreichung der Aufgaben mit einem Forschungsflugzeug ist ein der Forschung angepasstes Konzept für die Nutzung notwendig. Die Erfahrung mit der FALCON zeigt, dass ein an Drittmitteln orientierter Betrieb der wissenschaftlichen Nutzung eher hinderlich ist. Ähnlich wie bei anderen Spitzen-Infrastrukturen, die nur in geringer Zahl und für wenige hochspezialisierte Nutzer zur Verfügung stehen, kann die Nutzung nicht mit Marktmechanismen optimiert werden. Die Nutzung muss sich durch die wissenschaftlichen Ergebnisse und die von den Nutzern im Umfeld erbrachte Zuarbeit zu dem Messsystem und seiner Nutzung rechtfertigen. Die Anschaffungskosten für ein solches Forschungsflugzeug sind kleiner aber von ähnlicher Größenordnung wie die der in Deutschland verfügbaren Forschungsschiffe 14. Auch die simultane Nutzung des Flugzeuges durch mehrere Gruppen ist der eines 14 Die Beschaffung des Forschungsschiffes Polarstern würde heute mehr als 200 Mio. Euro kosten. 31

32 Schiffes vergleichbar. Die Betriebskosten des Flugzeuges sind ebenfalls geringer als die der Schiffe 15, aber vergleichbar. Es bietet sich daher an, den Betrieb und Nutzungszugang ähnlich den bewährten Modellen bei FS Meteor und PFS Polarstern zu gestalten. Man könnte sich auch an den Strukturen im Umfeld des Deutschen Klimarechenzentrums orientieren. Auch bei anderen Großgeräten der Grundlagenforschung, wie den Beschleunigeranlagen am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, erfolgt die Vergabe von Nutzerzeiten unabhängig von der nationalen Zugehörigkeit der Wissenschaftlergruppen allein nach wissenschaftlichen Qualitätskriterien. Daher wird eine wissenschaftlich geprägte Entscheidungsstruktur bei der Zuweisung von Flugzeit empfohlen. Gemeinsam mit dem Betreiber muss ein Ausschuss der wissenschaftlichen Nutzer dafür sorgen, dass das Flugzeug zu einer exzellenten Forschungsinfrastruktur ausgebaut wird. Das Flugzeug muss für interdisziplinäre und internationale Spitzenforschung zur Verfügung stehen. Entscheidungskriterium bei der Auswahl von Experimenten ist allein das zu erwartende wissenschaftliche Ergebnis. Ein solches Zugangskonzept würde auch die sehr dringliche verstärkte Beteiligung der Universitäten an der Atmosphärenforschung wirkungsvoll fördern. 4. Forschung mit Forschungsflugzeugen: Stand der Technik Forschungsflugzeuge sind fliegende Labors mit Beobachtern und Instrumenten für in-situ-messungen sowie Beobachtungen und Fernmessungen oberhalb, unterhalb und seitlich des Flugweges. Für vielfältige Einsätze mit Laborinstrumenten und in Gebieten mit hohem Luftverkehr kommen nur bemannte Flugzeuge mit Druckkammer und mehreren wissenschaftlichen Begleitern in Frage. Solche Flugzeuge zeichnen sich durch einen hohen Modifikationsstand aus und sind damit für viele Zwecke und mit vielfältigen Sensorkombinationen sehr flexibel einsetzbar. Sie können einen großen vertikalen und horizontalen Teil der Atmosphäre in kurzer Zeit vermessen. Bemannte Flugzeuge sind mit geringer Vorbereitungszeit auch über entlegenen Gebieten der Erde einsetzbar. Sie dienen häufig als Bindeglied zwischen bodengestützter und satellitengestützter Fernerkundung. Viele Parameter sind häufig nur mit in-situ- Instrumenten messbar. Zudem sind in-situ-messungen mit Flugzeugen zumeist genauer und haben eine höhere räumliche und zeitliche Auflösung als Fernmessungen von Satelliten aus, mit denen man größere Regionen abdecken kann. 15 BMBF/DFG fördern den Betrieb des Forschungsschiffes METEOR mit ca. 7 Mio. Euro/a. Die Kosten des Betriebs der Polarstern sind mehr als doppelt so hoch. 32

33 4.1 Forschungsflugzeuge in Deutschland Abb. 11. Foto der FALCON, vom Typ 20-E Deutschland verfügt gegenwärtig über eine Reihe mittelgroßer Forschungsflugzeuge. Hierzu gehören u.a. die Polarflugzeuge Polar 2 und Polar 4, die vom AWI betrieben werden und die regelmäßig für (zum Teil) multidisziplinäre Messkampagnen in Arktis und Antarktis eingesetzt werden. Das Flugzeug mit der größten Höhe und Reichweite ist hierbei das vom DLR betriebene Forschungsflugzeug FALCON, das mit einer Gipfelhöhe von bis zu 13,7 km, einer Reichweite von 3500 km und einer Nutzlast von ca kg für Messungen mit in-situ- und Fernerkundungssensoren in der Troposphäre und in mittleren und hohen Breiten auch in der unteren Stratosphäre eingesetzt wird. Die FALCON wird derzeit für viele Projekte von zahlreichen Nutzern eingesetzt und ist vollständig ausgelastet. Deutsche Gruppen benutzen zudem (z.b. bisher im Ozonforschungsprogramm und derzeit im AFO-2000, teilweise im Verbund mit der FALCON) einen Learjet des Verbundes der Firmen GFD und enviscope. Der Learjet erreicht etwa die gleiche Höhe ist aber kleiner als die FALCON. Die Kosten für die Nutzung der FALCON lassen zu, dass sie auch für den Betrieb von einzelnen Sensoren eingesetzt werden kann (siehe Anlage 7). Die FALCON hat zudem den Vorteil, sehr mobil zu sein und aufgrund ihres hohen Modifikationsgrades sehr flexibel für unterschiedlichste Anwendungen kurzfristig eingesetzt werden zu können. Die FALCON verfügt jedoch für zukünftige Forschungsaufgaben bei weitem nicht über die erforderliche Reichweite und Nutzlastkapazität und erreicht nicht die für viele Aufgaben notwendige Flughöhe. Das Kabinenvolumen lässt nicht den gleichzeitigen Einbau von mehreren komplexen Instrumentierungen zu, um vergleichende oder ergänzende Messungen machen zu können. Die europäische Forschung kann daher mit Messungen, wie sie die Amerikaner mit der DC-8 durchführen, nicht konkurrieren. Dafür war die FALCON aufgrund der erreichten Höhe der DC-8 überlegen. 33

34 Die Kosten der FALCON und anderer Forschungsflugzeuge waren für Nutzer an Universitäten häufig nicht erschwinglich. Der Verweis auf Drittmittelgeber ist auf Dauer nicht zielführend, da Drittmittelanträge lange Vorlaufzeiten erfordern und die Erfolgsaussichten oft nicht vorhersehbar sind. Die EU fördert in Projekten im 5. Rahmenprogramm die Nutzung von Infrastruktur wie Forschungsflugzeugen in Forschungsprojekten mit maximal 500 keuro; 50% der Vollkosten sind dabei vom Antragsteller zu tragen. Die Einzelbeantragung für jedes Vorhaben und durch jede einzelne Einrichtung macht die Steuerung im Sinne einer programmatisch ausgerichteten Gesamtzielsetzung nur schwer möglich. Zudem haben Gutachter auch in der Vergangenheit oft auf die sehr viel besseren Finanzierungs- und Zugangsverfahren zu den Forschungsschiffen verwiesen. Dort funktioniert unter Steuerung des AWI oder der DFG in den vom Bund autorisierten Gremien eine gute Erfüllung des nationalen Polarforschungsprogramms und Ozeanforschung mit der erforderlichen Autarkie der Forschung in Verantwortung für den vorgegebenen Budgetrahmen. Eine andere Schwierigkeit betrifft die Mitsprache bei der Zuteilung von Nutzungszeiten und bei überlappenden Anforderungen im Betrieb. Dies hatte zur Folge, dass die FALCON zumeist von oder mit DLR-Instituten genutzt wurde. Das neue Betriebskonzept muss daher allen Nutzern die gleiche Mitsprache einräumen. Vom Betreiber des Flugzeugs wird zudem ein umfassender Service für eine effiziente Durchführung der Forschungsflüge erwartet. Dies reicht von wissenschaftlicher Flugplanung, Integration und Zertifizierung von Messinstrumenten und weltweitem Forschungsflugbetrieb bis zum Betrieb einer leistungsfähigen Grundinstrumentierung und der entsprechenden Kalibriereinrichtungen. Im DLR steht dieses Leistungsspektrum mit den zugehörigen Zulassungen allen Nutzern zur Verfügung. Das neue Flugzeug sollte stärker in den Lehrbetrieb der beteiligten Hochschulen eingebunden werden, um einen qualifizierten Nachwuchs für das wichtige Gebiet der experimentellen Erforschung von Erde und Atmosphäre sicherzustellen. 4.2 Forschungsflugzeuge in Europa und den USA Eine Übersicht über den Stand der Europäischen Forschungsflugzeuge befindet sich in Anlage 4. Siehe auch die von der EU herausgegebene (vom DLR Flugbetrieb editierte) Broschüre Airborne Environmental Research (KI EN-C, 2001). Es gibt derzeit weltweit kein Forschungsflugzeug, das den Anforderungen hinsichtlich Nutzlast, Kabinenvolumen, Reichweite und Flughöhe insgesamt entspricht. Wie bereits 1994 von einem Aircraft Panel der EU und später im Projekt EURA- SER (European Research Aircraft and Sensors for Environmental Research) festgestellt, benötigt man für die Atmosphäre- und Erdsystem-Forschung zusätzlich zu den vielen kleinen Geräten für niedrige Höhen folgende Typen von Messflugzeugen: 1. Stratosphärenforschungsflugzeug mit möglichst großer Flughöhe (z.b. Geophysica). 2. Business-Jet der neuen Generation (hohe Flughöhe, lange Reichweite, Minimum von 3000 kg wissenschaftlicher Nutzlast, einschließlich der Beobachter. 3. Ein schweres Flugzeug für niedrige Höhen und großer Reichweite (10000 kg Nutzlast) (z.b. Hercules, Transall). Der vorliegende Antrag soll die 2. Aufgabe abdecken. In den USA verfügt man für jede dieser Aufgaben über zumindest ein geeignetes Flugzeug: 34

35 1. NASA s ER2 (mit neuen Triebwerken) und WB57 (weiterer Betrieb derzeit ungewiss). 2. NOAA s Gulfstream IV-SP, NASA s DC-8 und das neu geplante HIAPER. 3. NCAR s + NASA s C130, Electra. Deutsche Gruppen haben in den letzten Jahren erhebliche Erfahrungen bei der Durchführung großer nationaler und europäischer Forschungsprojekte mit Forschungsflugzeugen gesammelt (siehe Tabelle 2 in Anlage 5). Einige der Projekte wurden als Teil des deutschen Ozonforschungsprogramms (OFP) in Zusammenarbeit mit zahlreichen Instituten in Europa durchgeführt. Die Initiative für ein großes Forschungsflugzeug mit großer Reichweite und Höhe mit ausreichender Zuladung wird nicht nur von den deutschen Forschern, sondern auch im europäischen Rahmen gestützt. Dies war und ist Thema von EUFAR (European Fleet of Airborne Research), einer konzertierten Aktionen zur Koordination von Forschungsflugzeug-Betreibern in Europa. In EUFAR sind neun Flugzeugbetreiber aus sieben Ländern Mitglied, um in einem Zeitraum von vier Jahren ein Netzwerk von Forschungsflugzeugen zur optimalen Erfüllung der Anforderungen in Europa aufzubauen und Betriebserfahrungen zu sammeln. EUFAR entstand aus den Vorläuferprojekten EURASER und STAAARTE (Scientific Training and Access to Aircraft for Atmospheric Research Throughout Europe), Projekte innerhalb des Training und Mobility of Researchers (TMR) Programms im 4. Rahmenprogramm der EU. Ziel war die Heranführung von neuen Nutzergruppen aus Ländern ohne Erfahrungen an die Möglichkeiten von airborne environmental research. Diese Projekte haben eindrucksvoll demonstriert, dass es ein erhebliches Interesse und einen wachsenden Bedarf an geeigneten Flugzeugen für diese Forschung in Europa gibt. In Frankreich, Spanien, Holland und England sind Flugzeuge vorhanden bzw. in Beschaffung oder Planung, die in der unteren Troposphäre optimal eingesetzt werden. Mit der russischen GEOPHYSICA steht zumindest im Prinzip eine für Flughöhen bis 21 km taugliche, auf die Stratosphäre spezialisierte Plattform zur Verfügung, die aber mit vielen operationellen Einschränkungen verbunden ist. In den USA wird zudem von NCAR (National Center of Atmospheric Research) die Beschaffung eines neuen großen Forschungsflugzeuges mit dem Namen HIAPER (High-performance Instrumented Airborne Platform for Environmental Research) vorbereitet. Hierfür wird ebenfalls ein Business-Jet vom Typ Gulfstream V oder Global Express vorgesehen. Details lassen sich im Internet abrufen, siehe Anlage 2. Außerdem ist bei NCAR eine HIAPER Instrumentation Working Group installiert. Die bei NCAR gesammelten Erfahrungen stehen dem DLR für das HALO-Projekt voll zur Verfügung. Im Rahmen der HIAPER-Studie wurde eine Bedarfsanalyse der amerikanischen Forschungsgemeinschaft vorgelegt. Die Studie beschreibt den Bedarf auf den Gebieten Wetter: Atmosphärische Dynamik; Niederschlagsphysik; Vorhersage auf kurzen Zeit- und Raumskalen. Atmosphärische Chemie: Atmosphärische Kinetik und Photochemie; Chemische Prozesse; Aerosole und Luftqualität. Klima: Wolken-Systeme; Strahlung und Aerosole; Ozean-Atmosphäre- Wechselwirkung. 35

36 Andere Umweltforschung: Polarforschung; Biologische und ökologische Forschung; Obere Atmosphäre (Mesosphäre); Satelliten Kalibrierung und Validierung. Die Liste bestätigt die Wichtigkeit der für HALO genannten Themen. Von der National Science Foundation (NSF) in den USA wurde DLR im Dez über den Stand des HIAPER-Projekts wie folgt informiert: Die Entscheidung über HIAPER wird nur noch die Wahl zwischen GV und GE betreffen und im Februar getroffen. Die Kosten sind mit 81 Mio US$ veranschlagt, die sich zusammensetzen aus: 42 Mio US$ für die Flugzeugbeschaffung; 13 Mio US$ für Struktur- Modifikationen; 11 Mio US$ für Systemintegration und Forschungs-Infrastruktur; und 15 Mio US$ für Instrumentenentwicklung. Das Projekt setzt Prioritäten bezüglich Flugzeugeigenschaften in der Reihenfolge: Gipfelhöhe, Flugdauer, Reichweite, Nutzlast, Nutzfläche. Man geht von einem ersten Einsatz im Jahr 2005 aus. Die Amerikaner sind bereits am Ende ihrer Ausschreibungsphase angelangt. Nach Angaben der NSF ist HIAPER über Jahre vollständig mit Projekten amerikanischer Nutzer ausgelastet. Die NASA fördert die Entwicklung und Nutzung unbemannter Forschungsflugzeuge. Diese kommen heute noch nicht als Alternative zu dem beantragten Flugzeug in Betracht. Viele der Anwendungen erfordern Instrumente, die von Menschen in einer Druckkammer bedient werden müssen. Zudem sind Sicherheitsfragen für unbemannte Flugeinsätze über dicht besiedeltem Gebiet und im Umfeld stark beflogener Flugstrecken noch nicht ausreichend gelöst. 4.3 In Frage kommende Flugzeuge Tabelle 6 (in Anlage 5) enthält eine Übersicht über die Leistungsparameter der in Frage kommenden und untersuchten Flugzeugtypen im Vergleich zur FALCON (F20 E- 5). Die beigelegten Abb. 12 und 13 zeigen die Höhen-Reichweiten-Profile bei unterschiedlichen Nutzlasten. Demnach könnten die bestehenden Anforderungen am besten von einem Flugzeug vom Typ Gulfstream V (in der Tabelle 6 mit GV bezeichnet)/ Global Express (GE) abgedeckt werden, wie dies auch in der HIAPER-Studie nachgewiesen wurde. Beide erreichen eine nominelle Gipfelhöhe von 51,000 ft oder 15.5 km bei einer Reichweite von mehr als km. 36

37 Flughöhe [ ft ] B737BJ A319CJ Global Express Gulftream GV Gulfstream GIV Falcon 900EX Falcon2000EX CL604 Cessna X Envoy7 Learjet Reichweite [ nm ] Haw ker800 Falcon 20 Abb. 12. Reichweiten und Höhen diverser Flugzeuge: Größte Höhe und Reichweite haben Global Express und Gulfstream V Flughöhe [ ft ] Gulfstream Gv 1to Global Express 1 to Gulfstream GV 2 to Global Express 2 to Gulfstream GV 3 to Global Express 3 to Reichweite [ nm ] Abb. 13. Missionsprofile als Funktion der Flugzeit Druckhöhe (bis ft) als Funktion der Zeit (bis 12.5 h) von Global Express und Gulfstream V bei Beladung mit 1, 2 und 3 to Nutzlast und unter ISA-Bedingungen. Die Werte beziehen sich auf das als Business Jet ausgerüstete Standardflugzeug. 37

38 Flugzeuge von europäischen Herstellern stehen nur mit deutlichen Abstrichen an einem oder mehreren Auswahlkriterien zur Verfügung. Die Typen Falcon 900 EX und Falcon 2000 EX von Aviation Marcel Dassault haben im Vergleich zur Gulfstream V und Global Express wesentlich (> 30 %) geringere Reichweite und würden wegen ihrer erheblich kleineren Kabine große Einschränkungen bei komplexen Messprogrammen mit sich bringen. Die zugelassene Flughöhe der Falcon 2000 EX beträgt nur ft. Das dritte Triebwerk im Leitwerk bei der Falcon 900 EX kann Einschränkungen bei der Installation von Einbauten bedingen (für Anbauten an der oberen Rumpfseite muss sichergestellt sein, dass keine Teile und kein Eisansatz in die Triebwerke gelangen). Der Business Jet von Airbus mit größerer Nutzlast und vergleichbarer Reichweite wie Gulfstream V bzw. Global Express ist in Anschaffung und Betrieb wesentlich teurer. Er kann auch die geforderten Gipfelflughöhen nicht erreichen. Dies gilt auch für die ENVOY 7 von Dornier-Fairchild. Die Gulfstream V und die Global Express bieten erheblich größere Leistungen als die derzeit verfügbare FALCON: mehr als die 3.6-fache Reichweite (6500 nm oder fast km), etwa die doppelte Nutzlast 16 (>2600 kg), doppelte Kabinenlänge (>14,7 m), ca. 30 % breitere Kabine (>2,2 m), und 6000 ft (1.8 km) mehr (nominelle) Gipfelhöhe. Wie Abb zeigen, sind damit erheblich mehr Instrumente unterzubringen und die Reichweite ist so, dass von Deutschland aus Flüge zum Nordpol oder zum Äquator mit Hin- und Rückflug ohne Zwischenlandung möglich sind. Städte wie Tokio oder San Diego sind non-stop erreichbar. Eine Nutzlast von 3 Tonnen erscheint möglich. Die ursprüngliche Forderung der HGF-Gutachter nach 5 Tonnen Nutzlast ist allerdings nicht realisierbar. 16 Die Nutzlast kann zu Lasten der Treibstofffüllung auf ca. 3 Tonnen vergrößert werden. 38

39 14, 74 m RO x (CIMS) H 2O (Lyα) NMHC (grap sample) CH 4, N 20, CO, NO 2 (TDLAS) NO, NO y (CL) HNO 3, HCN, (CH 3 ) 2 CO, CH 3CH (CIMS) EXIT Storage O 3, H 2O (LIDAR) O 3 (UV) CO 2 (IR) Photolysis Rate Aerosol Properties (CNC, FSSP, PMS) Abb. 14. Instrumentierung. Nasenmast Seitenfenster Radarantenne Flügelstationen Abb. 15. Seitenansicht. 39

40 Deckenöffnungen (150 mm) Deckenöffnung (500 mm) Abb. 16. Aufsicht. Abb. 17. Aufsicht auf Innenräume von Gulfstream V, Global Express und der bisher benutzten FALCON E-20 (von unten nach oben) im Vergleich. 40

41 Abb. 18. Einsatzradius (Hin- und Rückflug ohne Außenlandung, 3000 nm oder ca km) von Oberpfaffenhofen. Abb. 19. Einsatzradius (Hin- und Rückflug ohne Außenlandung, 3000 nm oder ca km) von Rio di Janeiro. 41

42 Abb. 20. Reichweite von Oberpfaffenhofen (Flugstrecken von 6000 nm oder ca km)(ein Weg). (Einsatzradius und Reichweite beziehen sich auf ein Standardbusiness Flugzeug mit maximaler Treibstoffzuladung, Treibstroffreserve, bei Standardatmosphäre, ohne Gegenwind und ohne Außenanbauten.) Ein größeres Flugzeug, etwa vom Typ Airbus A319CJ, BJ737 oder gar A310, A330, A340, A380, kommt aufgrund der sehr viel größeren Betriebskosten (ca. Faktor 2 ) nicht in Frage. Zudem ist die zugelassene Gipfelhöhe dieser Flugzeuge mit max ft deutlich geringer als die der Gulfstream V und der Global Express. Für einige Anwendungen ist der Einsatz von Messcontainern in Linienflugzeugen geeignet. Messungen im Linienverkehr haben den Nachteil, dass man dabei die Routen kaum beeinflussen kann, was für viele andere Anwendungen unzureichend ist. Für Höhenflüge oberhalb ft. (15,2 km) müssen Einsätze mit der russischen GEOPHYSICA oder der amerikanischen ER 2 geplant werden. 4.4 Verfügbare und erforderliche Instrumente Das Flugzeug sollte über eine fest installierte umfangreiche meteorologische Basisinstrumentierung verfügen, die dem heutigen Stand der Technik angepasst ist und deren Daten allen Nutzern zur Verfügung stehen. Ein Vorschlag für die Basissensorausstattung ist in Anlage 3 dargestellt. Zudem ist je nach Fragestellung und Experiment eine Vielzahl von speziellen Messinstrumenten notwendig. Die beteiligten Gruppen verfügen u.a. über flugtaugliche Messsysteme für Messgrößen gemäß Anlage 5, Tabelle 4. Ein entscheidendes Hindernis für den Fortschritt in der Vergangenheit war die Tatsache, das die notwendigen Instrumente nicht in der erforderlichen Kombination gleichzeitig in den vorhandenen Flugzeugen (wie der FALCON) untergebracht werden konnten. 42