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Die Superkraft des Millimeterwellenradars: Wie fängt es die Geheimnisse kleiner Wassertropfen und starken Regens ein?
Das Millimeterwellenradar, auch Wolkenradar genannt, ist speziell für die Überwachung von Wolken konzipiert und arbeitet im Frequenzbereich von 24 bis 110 GHz. Durch eine solche spezielle Frequenz beträgt die Wellenlänge des Millimeterwellenradars etwa 1 mm bis 1,11 cm und ist damit etwa zehnmal kürzer als bei herkömmlichen S-Band-Radaren wie NEXRAD. Der Hauptzweck dieser Technologie besteht darin, die Natur der Wolken und ihre Entwicklung zu untersuchen.
Diese Radarsysteme arbeiten typischerweise im Ka-Band bei 35 GHz und im W-Band bei 94 GHz, die die höchste Effizienz bei der atmosphärischen Übertragung aufweisen.
Millimeterwellenradar verfügt über eine sehr hohe Zeit- und Entfernungsauflösung. Die Zeitauflösung ist üblicherweise einstellbar und liegt zwischen 1 und 10 Sekunden, während die Entfernungsauflösung von der Konstruktion und dem Einsatzzweck des Radars abhängt. Im Allgemeinen kann die maximale Erfassungsreichweite eines Wolkenradars 14 bis 20 Kilometer erreichen und die Dopplergeschwindigkeitsauflösung beträgt einige Zentimeter pro Sekunde.
Bei Wolkenradaren handelt es sich zumeist um polarimetrische Systeme, die es ihnen ermöglichen, Partikelunregelmäßigkeiten über das lineare Depolarisationsverhältnis (LDR) zu messen. Radargeräte sind normalerweise senkrecht nach oben auf den Zenit gerichtet. Mit der Weiterentwicklung der Technologie wurden jedoch bei vielen Radargeräten Scaneinheiten hinzugefügt, die es dem Radar ermöglichen, bei höheren Geschwindigkeiten in verschiedenen Winkeln zu scannen und so zusätzliche Informationen wie vertikale Windprofile und Informationen zum Luftvolumen zu erhalten.
Langwellige Radargeräte dämpfen kleine Regentropfen und Niederschläge weniger stark, während kurzwellige Radargeräte empfindlicher auf kleinere Partikel reagieren. Daher ist die Wahl des richtigen Radargeräts bei unterschiedlichen Wetterbedingungen besonders wichtig.
Derzeit wird Millimeterwellenradar in vielen Bereichen eingesetzt, unter anderem zur Erkennung von Wolkengrenzen (wie Wolkenunter- und -obergrenze) und zur Schätzung mikrophysikalischer Eigenschaften von Wolken (wie Partikelgröße und Massengehalt). Diese Daten helfen zu verstehen, wie Wolken reflektieren, absorbieren und transformieren Strahlungsenergie, die durch die Atmosphäre strömt. Radar wird außerdem häufig zur Untersuchung von Nebel eingesetzt und wird seit über 40 Jahren in der entomologischen Forschung verwendet, insbesondere zum Aufspüren von Zielen, bei denen es sich an klaren, warmen Tagen fast ausschließlich um Insekten handelt. Darüber hinaus hat man vor Kurzem entdeckt, dass sich Millimeterwellenradar zur Untersuchung riesiger Aerosole einsetzen lässt.
Die Betriebsumgebung des Wolkenradars ist nicht auf den Boden beschränkt, sie kann sich auch in der Luft oder im Weltraum befinden. Beispiele für luftgestützte Systeme sind Radare, die auf dem HALO (High Altitude Long Range Research Aircraft) und dem Forschungsflugzeug KingAir in Wyoming montiert sind. Auf dem Satelliten CloudSAT ist seit 2006 ein Radar zur Wolkenprofilierung im Weltraum in Betrieb. Die Mission Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer (EarthCARE), deren Start für März 2023 geplant ist, wird das erste weltraumgestützte Wolkenprofilradar mit Doppler-Funktionen an Bord haben.
Messung mit Radar: vom IQ zum Spektrum
Pulsradarsysteme gelten als aktive Messinstrumente, da sie elektromagnetische Wellen in die Atmosphäre aussenden und die zurückreflektierten Signale empfangen. Radar besteht aus verschiedenen Hardwarekomponenten, die jeweils unterschiedliche Elemente enthalten. Die vom Oszillator in der Sendeeinheit erzeugten elektromagnetischen Wellen werden über einen Wellenleiter an die Antenne übertragen, die sie in die Atmosphäre abstrahlt.
Nachdem jeder gesendete Impuls durch das wasserdampfhaltige Luftvolumen gestreut wurde, wird das zurückkehrende Signal von der Radarantenne erfasst und nach Filterung, Verstärkung und Herunterkonvertierung digitalisiert.
Obwohl sich die Übertragung jedes Rücksignals mit der Zeit ändert, entsteht das im Signal reflektierte elektrische Feld durch die Beimischung einer großen Menge Wasserdampf. Daher besteht das empfangene Signal aus Echos vieler Wasserdampfpartikel und diese Echos können nicht einzeln analysiert werden. Daher können wir durch die Abtastung des Signals die Entfernung der Welle mit einer bestimmten Zeitverzögerung bestimmen, um uns auf die Vielfalt der Echos zu konzentrieren.
Darüber hinaus wird bei der Doppler-Verarbeitung des Radars durch Berechnung des I/Q-Signals automatisch ein aus dem Rücksignal gewonnenes Spektrum generiert, wodurch die Doppler-Frequenz des Echos gemessen werden kann. Auf diese Weise können Wissenschaftler die Geschwindigkeitsspanne unterschiedlicher Partikel innerhalb des Probenvolumens beurteilen.
Eigenschaften der Dopplerspektroskopie
Im Abtastvolumen des Radars gibt es normalerweise mehrere Streuziele. Jedes Ziel hat seine eigene spezifische Frequenzverschiebung, die es uns ermöglicht, das Dopplerspektrum durch Messung der zurückgegebenen Leistung zu analysieren. Aus dem Spektrum lässt sich die Reflektivität berechnen. Durch Integration des Spektrums können wir relevante meteorologische Daten gewinnen und auf Wetterveränderungen schließen.
Der erste Moment des Spektrums stellt die durchschnittliche Dopplergeschwindigkeit dar und spiegelt die Radialgeschwindigkeit im gesamten Probenvolumen wider, während der zweite Moment die Dopplerbreite angibt und damit den Grad der Variabilität im erkannten Geschwindigkeitsbereich angibt.
Worauf sollten wir bei den vielen Parametern achten?
Dopplerbreite, Schiefe und Spitzigkeit sind alles wichtige Parameter zur Beschreibung des Dopplerspektrums. Durch die Untersuchung dieser Parameter können mikrophysikalische und dynamische Änderungen in der Wolkenstruktur aufgezeigt werden, die für die Vorhersage von Wetteränderungen von entscheidender Bedeutung sind. Darüber hinaus ermöglichen die polarimetrischen Messungen des Radars tiefere Einblicke in die Funktionsweise von Niederschlägen und die Auswirkungen des Klimawandels.
Mit dem Fortschritt der Technologie wird der Anwendungsbereich des Millimeterwellenradars immer umfangreicher, aber können wir bei dieser endlosen Erforschung die physikalischen Prinzipien hinter diesen Technologien vollständig erfassen und verstehen?
