Saharastaub-Erkennung mittels Ceilometer

Saharastaub tauchte in den letzten Tagen den Himmel vielerorts in ein
milchiges Licht. Heute zeigen wir, wie man die Staubwolke auch vom
Boden aus mithilfe von Ceilometern beobachten konnte.

Nicht nur neue Temperaturrekorde für Februar und das frühlingshafte
Wetter, sondern vor allem der Saharastaub dominierte in den letzten
Tagen die Schlagzeilen der Wetternachrichten und schaffte es am
Wochenende sogar in den eher nüchternen Wetterbericht am Ende der
Tagesschau. Ausgehend von einem Staubsturm über Algerien machte sich
der Saharastaub über dem Atlantik auf den Weg nach West- und
Mitteleuropa und erreichte Deutschland am vergangenen Montag (siehe
Tagesthema vom Vortag). Statt strahlendem Blau verpasste er vor allem
in der Westhälfte dem Himmel einen milchigen Schleier (gut zu
erkennen im beigefügten Satellitenbild). Durch die verminderte
Einstrahlung wurden zudem die Nachmittagstemperaturen etwas gedämpft
und die Sonnenauf- und Untergänge waren regional farbenprächtiger als
üblich.

Da die Staubwolke in diesem Fall sehr viele feinste Staubpartikel
enthielt, konnte man sie also sogar mit bloßem Auge erkennen. Noch
viel detailreicher wurde der Saharastaub allerdings von den
sogenannten "Ceilometern" erfasst, die unter anderem an den
hauptamtlichen Wetterstationen des DWD eingesetzt werden.

Ein Ceilometer (engl. ceiling = Wolkenuntergrenze) ist in erster
Linie ein Gerät zur automatischen Bestimmung der Wolkenhöhen oder,
genauer gesagt, zur Messung der Wolkenuntergrenze (Wolkenbasis). Das
Ceilometer basiert auf dem Prinzip eines LIDARS (LIght Detection And
Ranging), also einer optischen Abstandsmessung von atmosphärischen
Bestandteilen. Es dient hauptsächlich zur Detektion von Wolken, die
aus Wassertröpfchen oder Eispartikeln bestehen. Der Wolkenhöhenmesser
sendet einen vertikal nach oben gerichteten pulsierenden Laserstrahl
aus, der insbesondere an der Wolkenbasis von den Wolkenpartikeln
wieder teilweise zum Messgerät zurückgestreut wird. Da sich der
Laserstrahl mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, kann aus der Laufzeit
vom Ceilometer zum Wolkenpartikel und wieder zurück zum Ceilometer
dessen Entfernung und somit die Höhe der Wolkenbasis bestimmt werden.
Das Ceilometer arbeitet also nach einem ähnlichen Messprinzip wie ein
Niederschlagsradar, blickt jedoch vertikal nach oben und ist sensitiv
auf kleinste Wolkentröpfchen und Eispartikel. Das Niederschlagsradar
hingegen dreht sich nahezu horizontal um seine Achse und sendet
anstelle eines Laserstrahls Radiowellen aus, welche sensitiv auf
größere Tropfen und Eiskristalle sind, die als Niederschlag zu Boden
fallen.

Moderne Ceilometer erfassen aber noch mehr als nur die Höhe von
Wolken, wofür sie hauptsächlich an DWD-Messstationen eingesetzt
werden. Der Laserstrahl wird nämlich nicht nur von Wolkenpartikeln
zurückgestreut, sondern auch von anderen Bestandteilen der Luft
(sogenannten Aerosolen), die eine ähnliche Größe wie Wolkentröpfchen
und Eispartikel besitzen. So eignet sich ein Ceilometer auch zum
quantitativen Nachweis von Ruß- und Staubpartikeln in der
Grenzschicht, der unteren Atmosphärenschicht. Ebenso kann die
Konzentration von Vulkanasche oder Staubpartikeln in
unterschiedlichen atmosphärischen Höhen gemessen werden, womit wir
wieder beim Ausgangsthema wären - dem Saharastaub.

In beigefügter Grafik werden Rückstreuprofile von Ceilometern an
mehreren Orten in Deutschland vom vergangenen Montag zwischen 0:00
und 15:55 Uhr (GMT) gezeigt (größere Abbildungen erhalten Sie über
unserem Facebook- und Twitter-Kanal). Sie geben jeweils die Stärke
des zurückgestreuten Lasersignals von Partikeln in unterschiedlichen
Höhen wieder, woraus man neben den Wolkenhöhen auch auf die
Staubkonzentration in der Luft schließen kann.

Das Ceilometer in Mannheim zeigt eindeutig, dass die Saharastaubwolke
gegen 5:00 GMT (6 Uhr MEZ) in einer Höhe von etwa 2 Kilometern ankam,
sich tagsüber in einer Höhe von etwa 2 bis 4 Kilometern ausbreitete
und sich deren Staubkonzentration weiter erhöhte. Außerdem befanden
sich ab den Morgenstunden in 8 bis 10 Kilometern Höhe Cirren
(Schleierwolken) am Himmel, an deren Eispartikeln der Laserstrahl
ebenfalls zurückgestreut wurde. Der genaue Betrachter erkennt sogar,
dass sich direkt über dem Boden eine wenige Hundert Meter dicke
Dunst- oder Aerosolschicht befand.

In Emden breitete sich die Staubwolke schon in der Nacht zum Montag
aus. Ganz anders sieht es hingegen im knapp 200 km weiter östlich
gelegenen Hamburg aus, wo der Saharastaub erst in den Mittagsstunden
aufschlug. Völlig von Saharastaub (und Wolken) verschont blieb
hingegen der Osten und Südosten Deutschlands. Beispielhaft ist das
Rückstreuprofil von Potsdam abgebildet. Die grünlichen Farben
belegen, dass die Aerosol- und Staubkonzentration in allen Höhen
recht gering war.

Bei der Grafik für Bamberg könnte man auf den ersten Blick meinen,
dass Messgerät sei über viele Stunden ausgefallen. Schaut man jedoch
genauer hin, sieht man, dass etwa zwischen 1:00 und 12:30 GMT (2:00
und 13:30 MEZ) eine kompakte Nebel- bzw. Hochnebelschicht (siehe
Satellitenbild vom frühen Nachmittag) dafür sorgte, dass das gesamte
Lasersignal nur wenige Höhenmeter über dem Boden komplett von den
Nebeltröpfchen zurückgestreut wurde. Etwaiger Saharastaub oder Wolken
in größeren Höhen konnten nicht mehr erfasst werden. Nach Auflösung
des Hochnebels zeigte sich dann aber auch dort eine wenn auch
schwächere Staubkonzentration.

Zuletzt ist noch das Profil von Trier abgebildet. Neben dem
Saharastaub in der mittleren und den Cirren in der oberen Troposphäre
erkennt man hier noch ein weiteres Phänomen. Ab den Mittagsstunden
waren die Staubkonzentration und die Luftfeuchtigkeit sogar hoch
genug, dass der Saharastaub in etwa 3 Kilometern Höhe die Bildung von
mittelhohen Wolkenfeldern auslöste. Die zahllosen Staubpartikel
dienten als Kondensationskeime, also als Andockstation für Wasser-
und/oder Eispartikel, wodurch sich ausgedehnte Wolkenfelder bildeten,
die im Westen den Blick auf die Sonne versperrten.

Wie Sie sehen, gaben uns die zahlreichen Ceilometer in Deutschland
Aufschluss über die Konzentration, Höhe und Dicke der
Saharastaubwolke. Nun zieht der Saharastaub aber ab, sodass wieder
die eigentliche Aufgabe dieser Messgeräte in den Vordergrund rückt -
die Bestimmung von Wolkenhöhen.


Dr. rer. nat. Markus Übel (Meteorologe)
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 24.02.2021

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst