Unglaubliche Technologie: Wie man Hurrikane verfolgt

Anmerkung der Redaktion: In dieser wöchentlichen Serie untersucht LiveScience, wie Technologie die wissenschaftliche Erforschung und Entdeckung vorantreibt.

Hurrikan-Tracking und -Prognosen retten Leben. Im spärlich besiedelten Florida in den 1920er und 1930er Jahren töteten Wirbelstürme Tausende von Menschen. Die Stürme kamen ohne Vorwarnung an. Jetzt, dank der Vorhersager, die kommende Stürme überwachen, können Millionen von Floridianern Tage bevor Sturmflutfluten und Winde einschlugen, evakuieren.

Die Technologie zur Überwachung von Hurrikanen kann altmodisch klingen - Wettersatelliten und speziell ausgerüstete Flugzeuge. Aber die NASA hat unbemannte Flugzeuge oder Drohnen in das Arsenal von hurrikanjagenden Flugzeugen des Landes aufgenommen, und ein geplanter Wettersatellit wird bald durch Wolken schauen, um den Regen innerhalb eines Hurrikans zu scannen und 3D-Ansichten zu liefern. Die Daten fließen in Wettermodelle ein, die auf Supercomputern laufen, und Wissenschaftler suchen immer nach neuen Optimierungen, die Sturmprognosen verbessern.

Hurricane Hunters: Verfolgung auf dem Luftweg

Das erste Mal, dass ein Flugzeug mit Absicht in einen Hurrikan flog, war 1943 in der Nähe von Galveston, Texas. Jetzt rief eine Gruppe von Piloten und Wissenschaftlern die Hurrikan-Jäger regelmäßig durch Stürme, die die Vereinigten Staaten bedrohen. Flugzeuge der US-Luftwaffe und der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) messen Windgeschwindigkeiten, Luftdruck, Niederschlag und Schnee. Sie geben auch sogenannte Dropsonden frei, die durch den Sturm fallen und Daten in Echtzeit zurücksenden, um Vorhersagemodelle zu verbessern. Die Dropsonden fallen mit dem Fallschirm ab und übertragen zwei bis vier Messungen pro Sekunde per Funk an das Flugzeug in der Nähe. [Video: Fahrt mit Hurrikanjägern in Irenes Auge]

Die NASA sendet auch zwei Global Hawk-Drohnen, die vor Hurrikanen lüften, als Teil einer fünfjährigen Wissenschaftsmission, um den Einfluss von Wettermustern über den Atlantik auf tropische Stürme zu untersuchen, und wie Hurrikane wachsen und schwinden.

Zwischen den Hurricane Hunters und der NASA sind sechs Flugzeuge von drei Regierungsbehörden gleichzeitig in einem Hurrikan geflogen (Hurrikan Karl 2010), jeweils in verschiedenen Teilen des Sturms.

Obwohl Daten aus den ferngesteuerten Global Hawks nicht für die Wettervorhersage verwendet werden, kann die Wissenschaft helfen, Hurrikan-Vorhersagemodelle zu verbessern, sagte Scott Braun, Chefwissenschaftler der NASA-Mission.

"Wir sind an den Prozessen interessiert, die die Sturmbildung und Intensivierung kontrollieren", sagte Braun. Als die Drohnen im Jahr 2012 den Hurrikan Nadine beobachteten, sahen sie, wie der Sturm an Stärke verlor und sich dann wieder zu einem Hurrikan verdichtete, nachdem er einige Wochen lang um die Azoreninseln herumgewandert war. "Wir hoffen, etwas darüber zu erfahren, wie der Sturm sich entwickeln konnte, als die Umweltbedingungen sehr ungünstig waren", sagte Braun. "Man hätte erwartet, dass der Sturm sich schnell aufgelöst hätte."

Satelliten: Wetterbeobachter im Weltraum

Wettersatelliten beobachten Hurrikane aus der Umlaufbahn, schnappen sichtbare Bilder von wirbelnden Wolken und messen Wetterdaten mit Radar- und Infrarotsensoren. Die heutigen Satelliten können Temperaturen innerhalb eines Sturms, Wolkenhöhen, Regen, Schnee und Windgeschwindigkeit verfolgen.

Die NOAA verfolgt die Entwicklung von Stürmen und erstellt langfristige Vorhersagen mit zwei Satellitensets: geostationären operationellen Umweltsatelliten (GOES) und polarumlaufenden operationellen Umweltsatelliten (POES). Die GOES-Satelliten schweben für ihre Lebensdauer über dem gleichen Punkt und die POES-Satelliten umkreisen den Planeten 14 Mal am Tag über den Polen. [Zeitraffer-Video: 10 Jahre GOES-Wetterüberwachung]

Aber einer der nützlichsten Satelliten zur Überwachung von Hurrikanen war überhaupt nicht für das Beobachten von Stürmen gedacht.

Der TRMM-Satellit, oder Tropical Rainfall Measuring Mission, wurde 1997 ins Leben gerufen. Um Regenfälle in den Tropen zu messen, erwies sich der Satellit schnell als unschätzbar wertvoll für "CT-Scans" innerhalb von Hurrikanen. Das Radar auf dem TRMM-Satelliten sieht Innenstürme, einschließlich eines neu erkannten Phänomens namens heiße Türme. Dank TRMM wissen die Meteorologen jetzt, dass Stürme mit heißen Türmen - Regenwolken, die die Spitze der Troposphäre erreichen - sich in den nächsten 24 Stunden eher verstärken werden. Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Atmosphäre und heiße Türme bringen Wärme in diese Höhen.

"TRMM war das erste und einzige Niederschlagsradar im Weltall", sagte Braun, der Meteorologe der Forschung. "Was es letztendlich bietet, ist ein CT-Scan unter den Wolken. Es ist wie eine dreidimensionale Ansicht."

Ein neuer Satellit, der TRMM verbessert, wird voraussichtlich im Februar 2014 von der NASA und der JapanAerospace Exploration Agency gestartet. Der Global Precipitation Measurement (GPM) -Satellit wird alle drei Stunden einen Schnappschuss von Regen und Schnee zwischen 65 Grad nördlicher und südlicher Breite aufnehmen.

Supercomputer: wo alles zusammenkommt

Pacific Hurricane Warnungen wurden bereits in den späten 1800er Jahren ausgestellt, aber Hurrikan-Prognosen kamen nicht vor 1954, mit einem Tag Vorwarnung einer Storm-Spur. Bis zum Jahr 1964 konnten Meteorologen eine Hurrikanspur auf drei Tage ausdehnen. Dies blieb für fast vier Jahrzehnte der Standard. Dank besserer Sturmmodelle und leistungsfähigerer Computer begann die NOAA im Jahr 2002 mit der Veröffentlichung von Fünf-Tage-Vorhersagen für tropische Stürme und Hurrikane. [Infografik: Sturmsaison! Wie, wann und wo Hurrikane bilden

Die Wettermodelle verbesserten sich mit einem neuen Verständnis der globalen Ozean- und Atmosphärenmuster, die aufkommende Stürme beeinflussen. Aber wenn Forscher eine Optimierung anbieten, wie zum Beispiel Computeralgorithmen, die Satellitenbilder für heiße Türme bei Hurrikanen analysieren, will NOAA Zuverlässigkeit. So werden in einem Computerkomplex in Boulder, Colorado, neue Algorithmen in Echtzeit getestet.Die Tests laufen Seite an Seite mit aktuellen Vorhersagemodellen und nehmen eingehende Feeds von Wettersatelliten, Ozeansensoren und Hurrikan-Jägern entgegen, sagte Frank Marks, Direktor der NOAA Hurricane Research Division. Auch die Computer-Neulinge müssen sich gegen 1000 vergangene Stürme bewähren.

"Forscher suchen immer nach der nächsten Innovation, aber im Betrieb sind Sie nur so gut wie gestern", sagte Marks.

Ein weiterer Fortschritt: NOAA stellte 2013 zwei neue Supercomputer vor, einen in Reston, Virginia, und einen Backup in Orlando, Florida. Beide laufen mit einer Spitzengeschwindigkeit von 213 Teraflops (213 Billionen Operationen pro Sekunde), mehr als doppelt so viel Prozessorleistung der letzten Reihe von Wetter Supercomputern.

"Etwa alle fünf Jahre bekommen wir bessere Computer, und das ist einer der Wege, auf denen sich die Hurrikan-Prognosen in den letzten 20 Jahren stetig verbessert haben", sagte David Nolan, Professor für Meteorologie an der Rosenstiel School of Marine and Atmospheric der Universität Miami Wissenschaft. "Ein anderes verbessert nur unser Verständnis der Physik von Hurrikanen."

Trotz des Anstiegs der Rechenleistung sehen sich Wissenschaftler noch immer einer Grenze gegenüber. Zur Verbesserung der Intensitätsprognosen - der Skala von Kategorie 1 bis 5 - benötigen Meteorologen genauere Messungen der Windgeschwindigkeit. Aber Hurrikane sind im Vergleich zu Flugzeugen und Dropsondes so gewaltig, dass die Verbesserung der Genauigkeit seit fast zwei Jahrzehnten eine Hürde darstellt.

"Die 24-Stunden-Intensitätsprognose hatte in den letzten 20 Jahren einen Fehler von 10 bis 12 Knoten [18 km / h bis 22 km / h]", sagte Nolan. "Wir können Hurrikane nur mit einer Genauigkeit von plus oder minus 10 Knoten messen, und Sie können nichts Besseres vorhersagen, als Sie es messen können."

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