Dem Gewitter auf der Spur

Kaum steigen die Temperaturen steigt mit ihnen die Wahrscheinlichkeit für Gewitter. Blitzeinschläge und Hagelschauer haben zum Teil extreme Auswirkungen. Vom Tourismus über die Energieversorger, von der Wirtschaft bis zum Flugverkehr oder der Landwirtschaft, alle sind von den Auswirkungen von Blitzen und Hagel massiv betroffen. Jedes Jahr entstehen durch diese Wetterphänomene Schäden in Millionenhöhe.
Im heurigen Jahr hat die Gewittersaison mit Ende April schon sehr früh begonnen und damit eine intensive Phase in der Forschung von Stephan Pack vom Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement, der den Blitzen auf der Spur ist, und von Helmut Paulitsch vom Institut für Hochfrequenztechnik, der sich mit der Hagelabwehr beschäftigt, ausgelöst.

Die Alpen als Blitzmagnet

Am Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement der TU Graz wird seit mehr als zwei Jahrzehnten Blitzforschung betrieben. Für Institutsleiter-Stellvertreter Stephan Pack und Lukas Schwalt, Dissertant am Institut, ist die Zeit von Mai bis September besonders spannend, denn in dieser gewitterintensiven Periode gewinnen sie ihre Daten für die Blitzforschung. Der Fokus ihrer Arbeit liegt in der Erfassung der Blitzaktivität im österreichischen Alpenraum, der die blitzaktivste Region in Europa ist. Die Blitzentladungen unterscheiden sich etwa durch Entladungsart und durch Stromstärken, und ob es zu einer selteneren Einzelentladung oder einem Blitz mit mehreren Folgeentladungen kommt. In der Gewitterhochsaison ist Schwalt täglich auf Abruf, um zwischen Lienz, Salzburg, St. Pölten und Graz, mit dem eigens am Institut entwickelten und optimierten mobilen Blitzmesssystem auf „Blitzjagd“ zu gehen. Dazu steht er in engem Kontakt mit Meteorologen der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG), um bei den vielversprechendsten Gewittern im südlichen Alpenraum rechtzeitig vor Ort zu sein und Messungen durchzuführen. Im Rahmen des 2015 gestarteten Projekts LiOn (Lightning Observation in the Alps) wurden an 19 ausgewählten Standorten im Gebirge rund 300 Messserien über Wolke-Erde Entladungen aufgezeichnet. Entscheidend bei der Wahl der exponierten Standorte für die Messungen ist, dass ein weiter Sichtbereich (15 – 30 km) für das Kamerasystem gegeben ist und dass dort keine elektromagnetischen Störungen auftreten. Zudem wurden Standorte gewählt, die eine gute Sicht auf blitzexponierte Strukturen, wie Berggipfel, Türme, Sendestationen oder Hochspannungsfreileitungen bieten. Bei den mobilen Messungen werden diese vordefinierten Standorte angefahren, da dort die grundlegenden Voraussetzungen für erfolgreichen Messungen der elektrischen, meteorologischen und physikalischen Auswirkungen von Blitzentladungen gegeben sind.

Referenzsystem für die Blitzforschung

In Europa gibt es ein flächendeckendes Blitzortungssystem. Allein in Österreich gibt es acht stationäre Blitzortungssensoren, deren mittlerer Abstand zwischen 150 und 200 km liegt und vom Forschungspartner ALDIS (Austrian Lightning Detection and Information System, ÖVE Service GmbH) betrieben wird. Das mobile Blitzortungssystem, das die beiden Blitzforscher der TU Graz im Einsatz haben, deckt einen Umkreis von 10 bis 40 km ab. So entsteht ein lokales Referenzsystem (VFRS, Video Field Recording System), das wissenschaftliche Informationen zur Überprüfung der Zuverlässigkeit der österreichweit messenden Blitzortungssensoren liefert. Das mobile Blitzmesssystem besteht aus einer Plattenantenne zur Messung des elektrischen Feldes, und einer Hochgeschwindigkeitskamera, die in der Lage ist, 2000 Bilder pro Sekunde aufzunehmen. Aktuell wurde das System um eine Rahmenantenne zur Messung des magnetischen Feldes der atmosphärischen Entladungen ergänzt. Die in den Sommermonaten generierten Daten geben Aufschluss über die Charakteristika regionaler Blitzentladungen und werden am Ende der Gewittersaison detailliert ausgewertet und in Modelle zur verbesserten Vorhersage von Blitzentladungen integriert. Dies schärft Prognosen, ermöglicht raschere Prävention und erhöht die Sicherheit für Mensch und Umwelt. Die bisherigen Ergebnisse schaffen neue Erkenntnisse und eine neue Datenbasis für die Auswertung von Blitzentladungen und sorgen international für großes Interesse.

Hagelabwehr als Zielsetzung

Hagel entsteht, wenn Wassertröpfchen durch Aufwinde innerhalb einer Wolke in extrem kalte Bereiche vordringen, wo sich ausgehend von Kristallisationskernen Hagelkörner bilden. Gibt es in den Wolken nur wenige dieser Kerne, können die Hagelkörner schnell anwachsen und, sobald die Aufwinde sie nicht mehr tragen, als Hagel zu Boden fallen. Diesem Wetterphänomen hat sich Helmut Paulitsch vom Institut für Hochfrequenztechnik der TU Graz in seiner Forschung verschrieben und hier insbesondere der Wetterradartechnik, die eine großräumige Erfassung von Niederschlagsereignissen ermöglicht. Paulitsch und sein Team haben das Softwarepaket WIIS, das Daten der Wetterradare visualisiert ebenso entwickelt wie das Programm HAILSYS (Hagelanalyse Software Programm), das Wetterdaten analysiert und die Einschätzung der Hagelwahrscheinlichkeit in Gewitterzellen erleichtert. Dank dieser beiden Programme ist es möglich, die Piloten der Hagelabwehr zu kritischen Gewitterzellen zu lotsen, um diese mit einer Silberjodid-Aceton-Lösung zu impfen. Diese Lösung fungiert hierbei als Kristallisationskeim und führt zu einer vermehrten Bildung von Hagelkörnern, dadurch bleiben sie kleiner und richten beim beim Aufprall weniger Schäden an.
In das Analyse-Programm HAILSYS fließen meteorologische Daten, 2D und 3D Wetterradardaten sowie Flugzeugpositionen und landwirtschaftliche Schadensinformationen ein. In den 3D Wetterradarscans, die an fünf Standorten in Österreich erfasst werden, ist die Bildung von Hagel in Abgrenzung zu Regentropfen besonders deutlich ersichtlich. In Kombination mit den raschen 2D Umgebungsscans des Hagelabwehrradars, die alle 40 Sekunden aktualisiert werden, berechnen WIIS bzw. HAILSYS die Bewegungsrichtung und Dimension der Gewitterzellen, um die Piloten der Hagelabwehr entsprechend zu instruieren.

Neue Hageldaten durch Bevölkerungsbeteiligung

In den letzten Jahren ist laut Paulitsch eine Veränderung sowohl in der Häufigkeit, als auch im jahreszeitlichen Verlauf von Gewittern zu beobachten. Gewitter treten aktuell nicht nur häufiger, sondern bereits früher im Jahr auf. Bislang hatten Gewitter zwischen Juni und August Hochsaison, in diesem Jahr sind bereits im April die ersten Gewitter aufgetreten. Besonders der Mai war in Hinblick auf Hagel ein sehr intensiver Monat, bis auf wenige Tage waren die Flugzeuge der Hagelabwehr täglich im Einsatz. Um die Analyse der Hagelereignisse zu erweitern, wurde im Frühjahr die Plattform HeDi – Hagelereignis Dateninterface - eingerichtet. Mit Hilfe der steirischen Bevölkerung sollen zusätzliche Daten zu Hagelereignissen wie Ort, Zeitpunkt, Größe der Hagelkörner sowie verursachte Schäden gesammelt werden. Auf der Homepage www.hedi.tugraz.at kann die Bevölkerung mittels Formular Informationen und Fotos zu jedem Hagelunwetter an die TU Graz melden oder mit der gleichnamigen App die Hageldaten schnell und einfach bekanntgeben. Diese Daten werden nach einer Plausibilitätsprüfung in die HAILSYS Datenbank übernommen und bei künftigen Gewitteranalysen mit einbezogen. Geplant ist, HeDi auch in anderen Regionen Österreichs einzusetzen, etwa im Burgenland oder der Wachau, um so eine breitere Datenbasis zu erlangen und diese in die Instrumente zur Hagelabwehr einfließen zu lassen.

Dieses Forschungsgebiet ist in den FoE „Information, Communication & Computing" und "Sustainable Systems" verankert, zwei der fünf Stärkefelder der TU Graz. Mehr Forschungsnews aus diesen Bereichen finden Sie auf Planet research.