Eigentlich dient GPS vor allem der Navigation und Ortung. Künftig könnte es aber auch dabei helfen, die Windgeschwindigkeit von Wirbelstürmen zu bestimmen. Denn die vom Sturm aufgewühlte Meeresoberfläche wirft die GPS-Signale gestreut zurück – und das Ausmaß dieser Streuung lässt sich messen. Der große Vorteil: Diese Methode ist billiger und lässt sich flächendeckender einsetzen als per Flugzeug abgeworfene Mess-Sonden.
Die Satelliten des Global Positioning System (GPS) senden ständig Radiosignale zur Erde, die Informationen über ihre Position und die genaue Zeit enthalten. Darüber ermitteln GPS-Empfänger ihre Position auf der Erdoberfläche. Trifft das Signal des Satelliten auf die Oberfläche des Ozeans, reflektiert diese rund 60 Prozent davon wieder zurück Richtung Himmel – wie eine Art großer Spiegel. Doch im Gegensatz zu einem Spiegel ist die Meeresoberfläche nur selten glatt und bewegungslos: Der darüber wehende Wind erzeugt Wellen.
Wellengang verrät Windgeschwindigkeit
„Stellen Sie sich vor, sie blasen über eine Schale mit heißer Suppe, um sie abzukühlen“, sagt NASA-Forscher Stephen Katzberg vom Langley Research Center in Hampton. „Je stärker man pustet, desto größer werden die Miniwellen in der Suppenschale.“ Ähnlich ist das in großem Maßstab auf dem Ozean. Und wenn ein GPS-Signal auf hohen Wellengang trifft, streut die raue Oberfläche die Signale entsprechend stärker. „Das Ausmaß dieser Streuung messen wir – momentan noch von einem Flugzeug aus“, so der Forscher. Ein Computer vergleicht dabei die Signale, die direkt vom Satelliten kommen mit denen, die vom Meer reflektiert werden.
Aus diesem Vergleich berechnet ein Programm dann die Windgeschwindigkeit, die nötig ist, um diese Streuungen durch Wellen zu erzeugen. Mit einer Genauigkeit bis auf fünf Meter pro Sekunde ist die GPS-Messung allerdings noch um das Zehnfache ungenauer als die bisherige Methode, wie die NASA-Forscher erklären. Aber sie hat entscheidende Vorteile: Bisher müssen Meteorologen direkt in den Sturm fliegen und dann einzelne, jeweils 750 US-Dollar teure Mess-Sonden aus dem Flugzeug werfen. Diese ermitteln dann Temperatur, Feuchtigkeit und Windgeschwindigkeit, während sie an einem Minifallschirm zu Boden sinken. Auf einer typischen Hurrikan-Mission werden etwa 20 dieser Sonden verbraucht.
Kontinuierliches Windprofil
Das Problem dabei: Die einzelnen Sondenwerte sind zwar sehr genau, aber weil sie so teuer sind, werden sie nur einzeln und in großen Abständen abgeworfen. Dadurch werden viele Bereiche des Wirbelsturms nicht erfasst – und das Gesamtbild des Sturms ist dadurch zwangsläufig stellenweise ungenau. Im Gegensatz dazu kann das GPS-System ständig messen und so ein kontinuierliches Profil der Windgeschwindigkeiten im Sturm liefern. Diese Windmessungen geben daher einen besseren Überblick über die Entwicklung des Hurrikans.
„Wir haben die GPS-Systeme ohnehin an Bord, also warum nicht zusätzliche Informationen daraus gewinnen“, so Katzenberg. Die Methode funktioniert zwar nur über Wasser, aber da sich die meisten Wirbelstürme ohnehin auf dem Meer entwickeln, ist das nach Ansicht der Forscher kein großer Nachteil. Und die Methode ist noch ausbaufähig: Künftig könnte diese Art der Windmessung per GPS sogar direkt vom Satelliten aus erledigt werden. 2016 plant die NASA ein System kleiner Satelliten zu starten, das Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS), das genau dies tun soll.
Aber theoretisch könnten sogar andere Radiosignale, beispielsweise von Fernseh- oder Radiosatelliten für die Windmessung genutzt werden: „Diese Signale sind extrem stark und leicht zu detektieren“, sagt Katzberg. Ein auf diese Signale angepasstes System würde nur ein paar hundert Dollar pro Stück kosten, schätzt er. „Wir profitieren dabei von der teuren Infrastruktur, die bereits existiert.“ (Radio Science, 2013; doi:10.1002/rds.20042)
(American Geophysical Union, 25.07.2013 – NPO)
