Es ist der 12. November 24, 11:12 Uhr. HALO steht am Rollhalt der Startbahn 24 auf dem Flughafen Memmingen.

Turm: “D-ADLR line up and wait, runway 24.”

Copilot Michael liest zurück, und Pilot Marc Puskeiler rollt HALO auf die Bahn. Die geplante Startzeit ist 11:20, wir sind also etwas zu früh.

HALO: “D-ADLR, we would like to take off at our planned time, 11:20. Can we wait on the runway for a few minutes?”

Turm: “D-ADLR, I have an A320 on final. I can give you three minutes. Cleared for take-off.”

HALO: “Cleared for take-off, we’ll go at 11:17.”

HALO’s Mission ist heute, an einem genau definierten Ort exakt unterhalb des EarthCARE Satelliten zu fliegen um Daten zu sammeln die bei der Validierung dieses neuen Satelliten helfen. Genaues Timing ist essentiell damit sich Flugzeug und Raumfahrzeug treffen. Um 11:17 schiebt Marc die beiden Schubhebel ganz nach vorne. “V1 - Rotate - Positive Rate - Gear Up” … und wir sind unterwegs.

Feedbackeffekte sind ein wesentlicher Komplexitätstreiber in Klimamodellen. Wolkenbildung ist ein Beispiel dafür. Wenn sich der Planet erwärmt, verdunstet mehr Feuchtigkeit, es bilden sich mehr Wolken. Wolken sind hell, und erhöhen deshalb die Reflektivität der Erde; ein größerer Teil der eingestrahlten Sonnenenergie geht dadurch zurück ins All. Das wäre ein negatives, die Erwärmung bremsendes Feedback. Aber Feuchtigkeit in der Atmosphäre und Wolken “fangen” auch Wärmestrahlung, was wiederum verstärkendes Feedback ist. Was überwiegt? Welche Wolkenarten in welcher Höhe haben welchen Effekt? Von welchen Arten entstehen durch Erderwärmung mehr, von welchen weniger? Auch Aerosolschichten in der Atmosphäre haben ähnlich komplexe Effekte

EarthCARE ist ein Satellit der gemeinsam von ESA und JAXA — den Europäischen und Japanischen Raumfahrtagenturen — entwickelt wurde, der dabei helfen soll, Licht in dieses Dunkel zu bringen. Er analysiert einerseits die Struktur von Wolken und Aerosolschichten, und misst andererseits die Energieabstrahlung der Erde. Damit wird der Zusammenhang zwischen Wolken und Aerosolen einerseits und der Strahlungsbilanz andererseits beobachtbar. EarthCARE führt zu diesem Zweck vier Sensoren mit: ein Radar, ein Lidar, eine multispektrale Kamera sowie ein Radiometer. Details dazu später.

EarthCARE ist erst am 28. Mai dieses Jahres gestartet, Ende 2024 wurden die Sensoren des Satelliten validiert und kalibriert. Hier kam HALO ins Spiel: das Atmosphärenforschungsflugzeug flog direkt unterhalb des Satelliten und vermaß die Atmosphäre zur gleichen Zeit am gleichen Ort. Die Daten sind Teil eines “Vergleichsdatensatzes” der verwendet wird, um Vertrauen in EarthCARE aufzubauen.

Im Rahmen der EarthCARE Kampagne flog HALO Orte mit unterschiedlichen Wetterphänomenen an. Im November 2024 ging es von Oberpfaffenhofen aus unter anderem nach Nordnorwegen.

HALO

HALO, kurz für High-Altitude, Long-Range Research Aircraft, ist eine modifizierte Gulfstream G550 und eines der Flugzeuge die das DLR in Oberpfaffenhofen betreibt.

Im Vergleich zum Serienflugzeug hat HALO umfangreiche Modifikationen; darunter ein Bellypod, mehrere Hardpoints an den Flügeln, insgesamt 18 Rumpfdurchbrüche durch die Sensoren “schauen” können sowie einen Nasenmast mit 5-Loch-Sonde der Luftdaten mit einer Frequenz von 100 Hz misst und den wissenschaftlichen Instrumenten zur Verfügung stellt.

Die Instrumente unter den Flügeln und in der Kabine sind austauschbar. Sie werden von Wissenschaftlern entwickelt und gebaut. Das DLR kümmert sich um deren Flugtauglichkeit, Integration, Erprobung und Zulassung.

Aufgrund der Anbauten schafft HALO die Leistungsdaten der G550 nicht ganz. Um den Spritverbrauch um Rahmen zu halten wird die Reisegeschwindigkeit auf Mach 0.8 beschränkt. Auch voll getankt wird meist nicht, da mit typischer Sensorausrüstung dann das maximale Startgewicht überschritten würde. Das schränkt die Reichweite im Gegensatz zur Serien-G550 weiter ein.

Silke Groß vom DLR erläuterte, dass durch die HALO-Vergleichsmessungen einerseits Daten gesammelt werden sollen die mehr oder weniger direkt mit den Messwerten auf dem Satellit vergleichbar sind, sogenannte Level-1-Daten. Deswegen werden funktional ähnliche Instrumente geflogen. Allerdings sind die Instrumente nicht neu entwickelt, sondern sind teils schon jahrelang im Einsatz; sie sind also sehr gut charakterisiert, die Messergebnisse lassen sich dementsprechend zuverlässig interpretieren.

Andererseits sollen aber auch die Algorithmen validiert werden mit denen aus Messwerten von einem oder mehreren Sensoren wissenschaftlich relevante Informationen abgeleitet werden, sogenannte Level-2-Daten. Dazu werden mit unterschiedlichen Algorithmen sowohl aus den HALO-Daten als auch aus den EarthCARE-Daten die gleichen Level-2-Daten abgeleitet. Wenn alles richtig kalibriert und modelliert ist muss auch hier für beide das gleiche Ergebnis herauskommen.

Instrumente

Das Radar dient dazu Tropfen und Eiskristalle in Wolken zu vermessen. Es empfängt Reflektionen der ausgesandten Radarstrahlung nachdem sie an Tropfen oder Eiskristallen reflektiert wurde. Anhand der Laufzeit kann die Entfernung gemessen werden, die Doppler-Phasenverschiebung verrät die Geschwindigkeit und an der Art der Reflektion kann zwischen Wasser und Eis unterschieden werden. Da Radarstrahlen von Luft und Feuchtigkeit relativ wenig absorbiert werden, kann es kilometerweit in Wolken hineinschauen. Letztlich erzeugt das Radar ein Vertikalprofil der Teilchen innerhalb einer Wolke mit Parametern wie Wolkenbedeckung, Wasser- und Eisgehalt, sowie Größe der Teilchen.

Auch Lidar analysiert reflektierte elektromagnetische Strahlung die es vorher aussendet, allerdings unterscheidet sich die Wellenlänge vom Radar: dort sind esMillimeterwellen, beim Lidar ist es Ultraviolettstrahlung. Lidar detektiert optisch dünne Wolken wie beispielsweise hohe Cirren und insbesondere Aerosole. Auch Wasserdampf kann gemessen werden, bevor er in Tröpfchen kondensiert. Für die Detektion von Tropfen ist Lidar ungeeignet: Daran wird sehr viel des Lichtes reflektiert, das System hat eine dementsprechend geringe Eindringtiefe. Beim Radar ist es genau umgekehrt, weswegen sich die beiden Messmethoden gut ergänzen und üblicherweise gemeinsam verwendet werden.

Im Gegensatz zum Radar und Lidar die beide selbst Energie abstrahlen, ist der Imager ein rein passives Instrument: es zeichnet auf, was immer es “sieht”. Was Imager von anderen passiven Systemen unterscheidet, ist, dass sie ein “Bild” erstellen, also die empfangene Strahlung mittels Pixeln räumlich auflösen, im Grunde wie eine Digitalkamera. Im Falle von EarthCARE dient der Imager vor allem dazu, die Szenerie unter dem Satelliten aufzuzeichnen. Dieses “Gesamtbild” hilft, die Daten der anderen Instrumente richtig zu interpretieren.

Radiometer sind auch passive Instrumente, aber keine Imager; die Messung ist nicht räumlich aufgelöst. Stattdessen wird hier der gesamte Strahlungsfluss gemessen, also die Gesamtmenge an Energie die die Erde (im Sichtfeld des Sensors) abstrahlt.

Fliegerische Aspekte des Flugs

Der Satellit umkreist die Erde alle 92 Minuten, was einer Geschwindigkeit von 28.000 km/h entspricht. Das ist rund 35 mal schneller als HALO. Ein Unterflug kann also nur punktuell erfolgen. Die direkte räumliche und zeitliche Überschneidung, während der beide das gleiche sehen, beträgt nur ungefähr eine Sekunde. Nichtsdestotrotz können auch Daten verglichen werden, die zeitlich 5-10 Sekunden auseinander liegen, so Silke Groß. Manche Wetterphänomene sind auch so ausgedehnt, dass man mit noch längeren Differenzen leben kann. Deswegen fliegt HALO möglichst entlang dem Track des Satelliten zum Treffpunkt. Es gibt übrigens keinen Sensor im Flugzeug der den Satellit sieht, und es ist auch keine Echtzeitkoordination mit dem Kontrollzentrum nötig. Denn Satellitenbahnen lassen sich sehr gut vorherberechnen. Die ESA veröffentlicht täglich aktualisierte Orbitvorhersagen für die nachfolgenden Tage, die als Grundlage für die Routenplanung dienen.

Bei unserem Flug ging es nach dem Tankstopp in Memmingen Richtung Koblenz. Von dort flogen wir entlang des Satellitentracks nach Norden zu unserem ersten Rendezvous mit dem Satellit über dem Norwegischen Dorf Dafjord bei 70° Nord. Von dort ging es knapp 900 km genau nach Westen zum Satellitentreff Nummer zwei. Nach erfolgreichem zweitem Unterflug haben wir nach links gedreht, um dem Satelliten nach Süden zu folgen. Nordwestlich der Faröer-Inseln haben wir den Satellitentrack verlassen und sind wieder zurück nach Oberpfaffenhofen.

Wenn HALO den Satellit zweimal unterfliegen möchte, dann muss der Wechsel von einem Satellitentrack zum nächsten innerhalb der 92 Minuten eines Satellitenorbits passieren, was den maximal möglichen Abstand zweier Tracks begrenzt. Der wiederum variiert mit der geografischen Breite: je weiter nördlich, desto näher liegen die Tracks zusammen. Die 900 km bei 70° Nord sind eine für HALO in anderthalb Stunden machbare Entfernung.

Es gibt weitere Randbedingungen bezüglich des Timings. Falls wir auf dem ersten Track verspätet sind, wäre das für den ersten Unterflug kein großes Problem. Weil uns der Satellit auf diesem Schenkel entgegenkommt würden wir ihn etwas südlicher treffen. Da die wissenschaftlich interessanten Wolkenformationen relativ groß sind, wäre das auch aus Sicht der Wissenschaft kein Drama. Zu früh kommen wäre allerdings fatal. Weil es dort oben keine Radarabdeckung gibt und wir eine Oceanic Clearance benötigen müssen wir uns an den Flugplan halten: Der Abbiegepunkt ist geografisch und zeitlich fix. Wenn wir dort also zu früh ankämen müssten wir also möglicherweise nach Westen abbiegen bevor uns der Satellit erreicht. Für das zweite Treffen ist es genau umgekehrt. Weil uns dort der Satellit von hinten einholt wäre er bei Verspätung schon an uns vorbeigehuscht. Wenn wir hingegen etwas zu früh kämen holt er uns etwas südlicher ein.

Die nötige zeitliche Präzision erreicht man einerseits durch eine Flugplanungssoftware die detaillierte Windvorhersagen berücksichtigt. Die Planung wird am Flugtag nochmal aktualisiert. Während des Fluges berechnet das Flight Management System kontinuierlich die erwarteten Überflugzeiten der Wegpunkte auf Basis aktueller Winddaten. Durch leichte Variation der Geschwindigkeit ist es dann relativ einfach, so Marc, die Überflugzeiten der Wegpunkte minutengenau einzuhalten.

In Europa, so Marc, seien die Herausforderungen eher administrativer Art. Denn HALO hält sich weder an Airways noch an Waypoints, wenn es dem Satellit entlang des Großkreises folgt. Und die Route führt durch viele Flugsicherungssektoren, mit jedem ist im Vorfeld eine explizite Absprache nötig. Glücklicherweise ist HALO meist über FL 400 unterwegs, also oberhalb der meisten Verkehrsflugzeuge, das macht die unkonventionelle Route einfacher. Trotzdem dauert die Koordination mit ATC pro Flug um die drei Tage.

Wissenschaftliche Aspekte

In der EarthCARE-Konfiguration gibt es in der Kabine sieben Plätze. Einer gehört dem Mission PI Florian Ewald, dem wissenschaftlichen Leiter des Flugs. Während des Fluges hat er das letzte Wort wenn wissenschaftlich relevante Entscheidungen zu treffen sind, wie beispielsweise eine Änderungen der Route aus Flugsicherungsgründen oder weil erst in situ entschieden werden kann, welche Cumulonimbus-Wolke angeflogen werden soll.

Der Rest sind Wissenschaftler. Die pendeln während des Flugs zwischen ihrem Laptop am Sitz und ihrem Instrument oder versammeln sich bei der Vierersitzgruppe für Diskussionen über Wolken, Wetter und Messergebnisse. Die Instrumente laufen automatisch, die Wissenschaftler greifen im Fehlerfall ein. Die Kosten dieser Flüge sind so hoch, dass es kostengünstiger ist einige Wissenschaftler für den Flug zu bezahlen die im Zweifelsfall eine Mission “retten” weil sie ein Instrument wieder ans laufen bringen anstatt den Flug zu wiederholen.

Für alle in der Kabine gibt es an ihren Sitzen ein Headset. Die Kommunikation ist in zwei Sprechkreise unterteilt, Kabine und Cockpit. Auf ersterem sind die Wissenschaftler, auf letzterem die Cockpitbesatzung, der Techniker und der Funk. Der Mission PI ist Teil von beiden Sprechkreisen und vermittelt gegebenenfalls.

Nach insgesamt 10 Stunden landeten wir ILS-geführt auf der 22 in Oberpfaffenhofen bei geschlossener Wolkendecke in 800 Fuß. An der Halle des DLR erwarteten uns bereits die Kollegen von der Projektleitung und der Technik. Zum Debriefing standen wir alle noch zwei Minuten vor dem Flieger und machten ein Missionsfoto. Wir waren alle hungrig und müde und sind dann zügig verschwunden.

Unsere Mission, arktische Wolken zu vermessen war erfolgreich. Florian Ewald: “Von wissenschaftlicher Seite hätte der Flug nicht besser laufen können. In beiden Unterflügen hatten wir interessante Wolkenstrukturen. Eine Warm- und anschließende Kaltfront mit Schneefall bis zum Boden hat uns bisher bei den Messflügen in den Tropen gefehlt. Die Instrumente funktionierten, und wir konnten auch schon erste Aussagen über die Kalibrierung des Wolkenradars auf EarthCARE für die ESA erstellen.”

Nach Ende der Kampagne zwei Wochen später ergänzte Marc Puskeiler, dass HALO in der EarthCARE-Kampagne 283 Stunden Blockzeit angesammelt hat. Im gesamten Jahr 2024 flog HALO über 500 Stunden.