HALO

Bilder: DLR

HALO (High Altitude and Long range research aircraft) ist ein Forschungsflugzeug, das über eine Reichweite von über 8000 km verfügt und das bis zu 15,5 km hoch fliegen kann.  HALO basiert auf einer umgebauten Gulfstream G550. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)  betreibt HALO. Zahlreiche Missionen zur Erforschung der Erdatmosphäre wurden bereits erfolgreich abgeschlossen.

Ein Teil der Forschung mit HALO wird durch das Schwerpunktprogramm 1294 „Atmosphären- und Erdsystemforschung mit dem Forschungsflugzeug HALO“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert, welches von Prof. Manfred Wendisch (Universität Leipzig) und Prof. Joachim Curtius (Goethe-Universität Frankfurt am Main) koordiniert wird.

In den letzten Jahren waren wir an den Missionen CAFE-Pacific (2024, Cairns, Australien), CAFE-Brazil (2022/23, Manaus, Brasilien) und CAFE-EU/BLUESKY (2020, Oberpfaffenhofen) beteiligt.
Die Forschung mit HALO ist auch ein wichtiger Teil des Transregio 301 "TP-Change" (The Tropopause Region in a Changing Atmosphere) der DFG, an dem unsere Gruppe beteiligt ist.   

Weitere Informationen zu HALO finden Sie auf der → offiziellen Seite, beim → DLR und auf den Seiten zum → Schwerpunktprogramm der DFG.

Die CAFE-Pacific Kampagne (Chemistry of the Atmosphere: Field Experiment over the Pacific) mit HALO ist der direkte Nachfolder von CAFE-EU und CAFE-Brazil und findet im Januar/Februar 2024 in Australien statt. Das Messflugzeug ist dabei in Cairns im Nordosten des Landes stationiert und geplant sind Messflüge über dem Indo-Pazifik und entlang der australischen Küste.

Die Bildung von Aerosolen in der freien Troposphäre über dem Pazifik wurde bereits in mehreren Messkampagnen beobachtet (Perry and Hobbs, 1993; Brock et al., 1995; Clarke et al., 1998; Clarke and Kapustin, 2002; Williamson et al., 2019), jedoch sind die Mechanismen und involvierten Gase noch größtenteils unklar. Die geplanten Flugzeugmessungen mit der umfangreichen Instrumentation von HALO bieten die Möglichkeit direkte Messungen in dieser Region der Atmosphäre durchzuführen. Ziel ist es daher die photochemischen Prozesse sowie die Entstehung von Aerosolen in der tropischen Troposphäre besser zu verstehen. Die Oxidationsmechanismen sowie die Nukleation und das Wachstum von Partikeln sollen untersucht werden. Die gewählte Region ist dabei besonders interessant, da Oxidationsprozesse sehr effizient ablaufen und die häufig auftretende hochreichende Konvektion eine direkte Verbindung zur Stratosphäre herstellt. Zudem ist sie noch weniger erforscht als andere Gebiete außerhalb der Tropen.

Weitere Forschungsschwerpunkte sind der Vergleich zwischen marinen Bedingungen und industriell geprägten Luftmassen. Auch der direkte Vergleich mit den Daten der CAFE-Brazil Kampagne über dem Amazonasgebiet könnte interessante Ergebnisse liefern.

Das CI-APi-TOF unserer Arbeitsgruppe soll dabei eine zentrale Rolle spielen, vor allem durch die Messung von Schwefelsäure, Methansulfonsäure (MSA), hoch-oxygenierten organischen Verbindungen (HOMs) sowie Aminen und Clustern. Eine besonders interessante Substanz im marinen Umfeld ist Dimethylsulfid (DMS), welches vom Ozean ausgestoßen wird und durch Konvektion in höhere Luftschichten gebracht werden könnte und dort zur Bildung von Schwefelsäure und MSA führt.

Wie bei den vorherigen Flugzeugmessungen gibt es eine enge Kooperation mit anderen Forschungsgruppen, die beispielsweise Messungen von Kohlenmonoxid, Ozon oder Stickoxiden durchführen werden.

Eine Besonderheit dieser Kampagne ist das Phänomen El Nino, das das Wetter im gesamten Südpazifikraum stark beeinflussen kann und eventuell zu weniger Niederschlag und stärkeren Waldbränden im Indopazifik führt und damit die Möglichkeit für weitere interessante Erkenntnisse eröffnet.

Wir erwarten mit den geplanten Messungen einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der globalen Aerosolverteilung und zu leisten und viele der offenen Fragen beantworten zu können.

CAFE-Brazil (Chemistry of the Atmosphere: Field Experiment in Brazil) ist eine HALO-Mission, die im Winter 2022/23 in Brasilien über dem Amazonas-Regenwald stattfand. Die Messungen haben gezeigt, dass gelegentlich sehr hohe Aerosolpartikelkonzentrationen in der oberen tropischen Troposphäre auftreten. Wir konnten zeigen, dass Isopren, eine organische Substanz, die in großen Mengen von den Bäumen des Amazonas-Regenwald ausgestoßen wird, durch Gewitterwolken bis in Höhen von 8-14 km transportiert wird. Das Isopren wird dann durch mehrere chemische Reaktionen umgewandelt und es entstehen Isopren-Oxidationsprodukte, vor allem organische Nitratverbindungen. Wir konnten zeigen, dass sich aus den entstehenden Verbindungen neue Aerosolpartikel bilden können, das heißt, die zunächst gasförmigen Isoprenprodukte lagern sich zu winzigen Tröpfchen zusammen. Diese neuen Aerosolpartikel können im Verlauf der Zeit weiter anwachsen, vom Wind über tausende Kilometer transportiert werden und  später als Wolkenkondensationskeime die Wolkenbildung in den Tropen und möglicherweise sogar das Klima beeinflussen (Curtius et al., 2024).

Das CI-APi-TOF unserer Arbeitsgruppe konnte während der CAFE-Brazil Messkampagne die  hoch-oxygenierte Isoprenprodukte nachweisen. Es gelang, einen detaillierten chemischen Mechanismus für die chemischen Reaktionen und die Nukleation in der oberen Troposphäre über dem Amazonasgebiet aufzustellen (Curtius et al., 2024). Dieser wurde auch im CLOUD-Experiment unter Laborbedingungen nachgewiesen (Shen et al., 2024).

In Zukunft sollen die gewonnenen Erkenntnisse dabei helfen, die Rolle von Aerosolen in Klimamodellen besser zu beschreiben. Um das zu erreichen, besteht eine enge Zusammenarbeit mit Modellierungsgruppen aus dem In- und Ausland.