11. März 2019

Kolleg für junge Talente: Tag der Meteorologie

von unseren Gastautorinnen

Jeder Kollegtag des Kollegs für junge Talente befasst sich mit einem anderen Thema. Der erste Kollegtag des Jahres 2019 führte die Stipendiaten nach Karlsruhe, um sich vor Ort mit Meteorologie auseinanderzusetzen; ein Donnerwetter blieb dabei glücklicherweise aus. Die Stipendiatinnen Lucía und Lara berichten.

Brüten über den Wetterkarten: zwei Stipendiaten des Kollegs für junge Talente. Foto: Konrad Dorenkamp


Früh morgens um acht Uhr trafen wir uns vor dem Polytechnikerhaus, um gemeinsam zum Karlsruher Institut für Technologie zu fahren. Nach kurzem Warten wurde uns der Zugang ins Institut gewährt. Besuchergruppen dürfen das Gelände nur mit vorheriger Anmeldung betreten, aber die hatten wir ja glücklicherweise.

Der Tag begann mit einem Vortrag des Main-Campus-Alumnus Jannik Wilhelm über die Geschichte und Entstehung der numerischen Wettervorhersage, wie wir sie heute kennen.  Im Gegensatz zur heutigen Zeit hielten die Menschen früher das Wetter für etwas Übermenschliches. In der Antike personifizierte man verschiedene Wettererscheinungen in Form von Göttern. So war zum Beispiel in der nordischen Mythologie Thor für den Donner verantwortlich, bei den Griechen Aiolos für den Wind, und die Azteken verehrten Tlaloc für den Regen.

Die Hungersnöte von 1430, ausgelöst von kalten Wintern und die Eiszeit zwischen dem 15.-18. Jahrhundert zeigte den Menschen, dass das Wetter etwas Unkontrollierbares und für sie Unberechenbares ist. Sie fingen an, sich Wetterereignisse aufzuschreiben, allerdings nur große und dies auch unregelmäßig. Bauern formulierten so genannte Bauernregeln (Wetterweisheiten), wie zum Beispiel „Gibts im Juni Donnerwetter, wird gewiss das Getreide fetter“, doch auch diese Weisheiten waren ungenau. 

Im Jahre 1781 begann dann die moderne Wetteraufzeichnung im Observatorium Hohenpeißenberg (Bayern). Bald darauf gab es 39 Wetterstationen in ganz Europa, in denen Barometer, Thermometer, Windmesser, Regenmesser und Hydrometer  eingesetzt wurden, um Informationen zum Wetter zu erhalten. Heute gibt es allein Deutschland 800 davon. Besonderheiten waren, dass auf allen Stationen einheitliche Messinstrumente benutzt wurden, es gab festgelegte Uhrzeiten, die sogenannten Mannheimer Stunden, an denen man das Wetter aufzeichnete. All diese Informationen wurden gesammelt und dann in den sogenannten Ergebnisbüchern auf Lateinisch veröffentlicht. 

Beobachten und vorhersagen

Jannik erklärte uns, was der Unterschied zwischen Wetterbeobachtung und Wettervorhersage ist und was genau Wissenschaftler der Meteorologie überhaupt untersuchen. Wetterbeobachtung bedeutet den Umstand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit zu messen.

Wettervorhersage ist eine Prognose des zukünftigen Zustandes der Atmosphäre. Und ein Wissenschaftler der Meteorologie untersucht Grundlagen von physisch-chemischen Prozessen in der Atmosphäre.

Jannik Wilhelm stellte uns drei der bedeutendsten Meteorologen vor: Cleveland Abbe war der erste Meteorologe überhaupt und starker Befürworter von Zeitzonen der Erde.

Vilhelm Bjerknes legte die Grundlagen für die heutige numerische Wettervorhersage. Lewis Fry Richardson berechnete die erste Wettervorhersage, die zwar vom tatsächlichen Wettergeschehen abwich, doch konnte er damit die Methode der numerischen Wettervorhersage begründen. Sein Fehler bei der Berechnung der Wettervorhersage war, dass er den Anfangszustand nicht gefiltert hatte. Um seine Rechnung zu vereinfachen, zerlegte er die Atmosphäre in kleine Volumina, um näherungsweise Lösungen zu finden.

Wann ist also eine Wettervorhersage erfolgreich?

Erstens müssen die Beobachtungsdaten des Anfangszustandes gefiltert und abgeschätzt werden. Zweitens benötigt man einen leistungsstarken Computer.

Supercomputer und ihr Nutzen

Im Vortrag von Nora Leps haben wir mehr über die Supercomputer erfahren, die für eine Numerische Wettervorhersage nötig sind. Der erste dieser Supercomputer, ENIAC, entstand 1950 und brauchte 24 Stunden, um eine 24-Stunden-Wettervorhersage zu machen. Dabei mussten ca. 1.000.000 Multiplikationen und Divisionen durchgeführt und ca. 100.000 Lochkarten für den Informationstransfer benutzt werden. ENIAC war ein großer Fortschritt für die Wettervorhersage. Trotzdem waren die Ergebnisse ungenau, und viele Vorgänge mussten noch per Hand durchgeführt werden.

In der modernen Wettervorhersage werden immer noch Techniken von früher benutzt, wie etwa die Einteilung der Atmosphäre in kleine Volumina, jedoch sind die Messwerte für diese heute viel genauer, da es mehr Messwerte gibt und somit der Anfangszustand des Wetters genauer erfasste werden kann. Auch die Leistung der Supercomputer hat sich mit der Evolution der Technik verbessert. Der stärkste Supercomputer, der für die Wettervorhersage genutzt wird, kann bis zu 7038*10^12 Rechnungen pro Sekunde durchführen. Da dies eine riesige Menge an Daten produziert, bräuchte man 700 Handys mit 32GB Speicherplatz, um eine Woche der Globalvorhersage zu speichern.

Unsere Rechenleistung als Gruppe haben wir mit einem Spiel ermittelt, bei dem einer nach dem anderen eine einfache Rechnung durchführen sollte: Wir kamen auf 1/4 Rechnung pro Sekunde!

Anschließend haben wir mehr über Satelliten und ihre Verwendungen erfahren und haben uns Bilder von verschiedenen Satelliten, die die Erde auf verschiedenen Orbits begleiten und verschiedene Frequenzbereiche messen angesehen. 

Im finalen Vortrag des Tages von Jan Handwerker über Niederschlagsradare haben wir erfahren, dass diese aufgrund dessen, dass sie flächendeckend messen können, das Wetter auf einem größeren Gebiet besser erfassen als Bodenmessgeräte. Niederschlagsradare entsenden ein endliches Stück Welle. Je nachdem, ob und wie stark es regnet, kommt eine Art von Echo zurück. Anhand dessen, wie viel "zurückkommt", lässt sich dann die Stärke des Niederschlags ermitteln. Beim Ansehen einiger Aufnahmen des Radars konnten wir erkennen, dass der Mensch trotz der neuen Technologien noch viel überprüfen und filtern muss, da viele Fehler auftreten können. Beispielsweise kann der Radar im Sommer die Insekten als Niederschlag aufnehmen oder die Einstrahlung der Sonne kann zu Fehlerscheinungen auf den Bildern führen.

Nach dem Vortrag haben wir den Radar des KIT angeschaut, während Jan uns die Funktionsweise erklärte. 

Am Ende des Tages haben wir in Gruppen Radarbilder, Satellitenaufnahmen und Bilder, auf denen die Hoch-und Tiefdruckgebiete abgebildet waren, ausgewertet und zu einem Foto des jeweiligen Wetters zugeordnet. 

In unserer Abschlussrunde wurde klar, dass der Kollegtag uns viel neues Wissen über ein Thema gegeben hat, was uns alle betrifft, worüber jedoch keiner viel wusste.

Text: Lucía und Lara

Über die Autorin

Lucía Parisek Jimenéz besucht die Elisabethenschule. Ein spezielles Lieblingsfach hat die vielseitig interessierte Jugendliche nicht. In ihrer Freizeit näht und tanzt sie gerne. 

Über die Autorin

Lara Auer ist Schülerin des Lessing-Gymnasiums. Die Tennisspielerin jagt in ihrer Freizeit nicht nur begeistert dem gelben Filzball hinterher, sondern tanzt auch sehr gerne. Ihre Lieblingsfächer sind Bio, Sport, Kunst und Deutsch.