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Was ist Doppler-Radar und wie funktioniert es?
Wenn Sie sich die nächtlichen Nachrichten ansehen, bezieht sich Ihr Meteorologe in der lokalen Vorhersage normalerweise auf Dopplerradar oder Wetterradar. Aber was ist das und wie funktioniert es?
Die Anfänge von Radar
Radar wurde erstmals Ende des 19. Jahrhunderts von deutschen Physikern entwickelt Heinrich Rudolf Hertz der gezeigt hat, dass Radiowellen von metallischen Objekten reflektiert werden können. Ein weiterer deutscher Erfinder, Physiker und Unternehmer, Christian Hülsmeyer, entwickelte das erste patentierte Gerät, das Radiowellen zur Erkennung entfernter Objekte nutzte. Hülsmeyer nannte seine Erfindung die Telemobiloskop , ein einfaches Erkennungsgerät, das Schiffen helfen soll, Kollisionen im Nebel zu vermeiden. Der größte Nachteil bestand jedoch darin, dass die Entfernung zu einem Ziel nicht direkt gemessen werden konnte.
Heinrich Rudolf Hertz, Public Domain-Bild.
Im Laufe der Zeit und mit Verfeinerungen entstand die Erfindung, die wir heute als Radar kennen. Funkwellen werden von Hindernissen auf ihrem Weg sowohl reflektiert als auch gestreut. Dies ist die Grundlage für Radar – Funkerkennung und Entfernungsmessung.
So funktioniert das: Ein Sender sendet einen schmalen Strahl kurzwelliger Energie in kurzen Pulsen aus. Zwischen den Impulsen horcht ein Empfänger auf Wellen, die zur Antenne reflektiert oder gestreut werden können. Aus der verstrichenen Zeit zwischen dem Sendeimpuls und seiner Rückkehr lässt sich die Entfernung des Hindernisses anhand der Ausrichtung der Antenne leicht berechnen.
Das Radar sendet die Energie in Pulsen und lauscht auf jedes zurückgesendete Signal. NWS-Animation.
Radar: Von der Kriegswaffe zum Wetterdetektor
Kurz vor dem Zweiten Weltkrieg, während der ersten Tests dieser streng geheimen Waffe, wurde es notwendig, einige sehr ärgerliche Probleme zu überwinden. Am wichtigsten war die Tatsache, dass Wolken und Regen feindliche Flugzeuge und Schiffe aus der Sicht versperrten. Es dauerte nicht lange, bis man erkannte, dass Radar in den kommenden Jahren, wenn die Welt nicht mehr im Krieg war, hauptsächlich zur Erfassung des Wetters verwendet werden würde. Tatsächlich wird Radar immer häufiger verwendet, um die Atmosphäre auf flüssige und feste Wasserpartikel zu untersuchen. Die Menge der Rückstreuung dieser Partikel hängt stark von ihrer Größe und der Wellenlänge der Radiowellen ab.
Meteorologisches Radar sieht nur die Wolken, die Niederschlag produzieren. So wurde es zu einem nützlichen Werkzeug, um genau zu sagen, wo es zu einem bestimmten Zeitpunkt regnet oder schneit. Es gibt auch eine sehr gute Schätzung der Niederschlagsintensität, da ein stärkeres zurückkehrendes Signal das Vorhandensein von mehr und größeren Regentropfen und Schneeflocken bedeutet. Meteorologisches Radar ist so konzipiert, dass es entweder in einem horizontalen Kreis oder nach oben und unten streichen kann. Es kann eine effektive horizontale Reichweite von bis zu etwa 400 Meilen haben, bevor die Krümmung der Erde zu viel von den niedrigsten Regionen der Atmosphäre verbirgt und sich von der Erdoberfläche bis zu einer Höhe von etwa 6 bis 6 Meilen erstreckt.
Die Form eines Tornados auf Radar
Im Jahr 1949 beobachtete der Meteorologe Edward M. Brooks, dass ein Gewitter, das a Twister hatte eine ziemlich komische Form auf dem Radarschirm. Es hatte ein hakenartiges Echo, das sich von der südwestlichen Ecke des Sturms ausbreitete. Brooks nannte es einen Tornado-Zyklon. Leider wurde die Bedeutung dieser Entdeckung vier Jahre lang nicht erkannt. Aber im April 1953 hatten Meteorologen erkannt, dass Hook-Echos charakteristisch für Tornado-Situationen sind und oft ein Hook-Echo auftritt bis zu einer halben stunde bevor der Tornado die Erde trifft!
Haftungsausschluss : Nicht alle tornadischen Stürme zeigen ein Hook-Echo und nicht alle Hook-Echos erzeugen Tornados! Trotzdem treten Hook-Echos und Tornados die meiste Zeit zusammen auf, und viele Menschenleben wurden gerettet, weil diese Warnzeichen durch das Radarskop aufgedeckt wurden.
Nationales Radarnetzwerk
Dank an eine Reihe katastrophaler Wirbelstürme entlang der US-Ostküste in den Jahren 1954 und 1955 wurde der Kongress aufgefordert, ein nationales Wetterradarnetz zu genehmigen.
Ein Ruf nach einem neuen System
1957 war das Radarnetz zur Wetterüberwachung in Betrieb. Von Küste zu Küste waren bis zu 66 WSR-57 im Einsatz. Doch Mitte der 1980er Jahre war klar, dass dringend ein neuartiges Radarsystem benötigt wurde. Die 57er, wie sie liebevoll genannt wurden, war ein Produkt der Technik der 1950er Jahre. Sie verwendeten veraltete Vakuumröhren und Ersatzteile wurden immer schwieriger zu finden. Es war an der Zeit, zum leistungsstärkeren NEXRAD-System (Next Generation Radar) überzugehen, das offiziell als bezeichnet wird WSR-88D , das D steht für Doppler-Radar .
Am 2. Dezember 1996, die allerletzte WSR-57 wurde außer Dienst gestellt .
Der Doppler-Effekt
J. Christian Doppler
Das Doppler-Radar funktioniert nach dem gleichen Prinzip, das Sie jeden Tag erleben, wenn ein Auto, ein Lastwagen oder ein Düsenflugzeug vorbeifährt. Denken Sie zum Beispiel an eine Polizeiautosirene. Wenn sich die Sirene nähert, ist der Ton immer hoch. Sobald das Auto vorbeifährt, sinkt die Tonhöhe ein paar Töne. Je schneller es sich bewegt, desto mehr sinkt die Tonhöhe. Es war J. Christian Doppler , ein österreichischer Physiker, der dieses Prinzip 1842 als erster erklärte. Hören Sie unten:
Wenn vom Radar ein Signal ausgesendet wird, kommt es mit einer höheren Tonhöhe zurück, wenn sich das streuende Objekt dem Radargerät nähert. Je schneller sich das Objekt nähert, desto höher ist die Tonhöhe des Rücksignals. Daher ist es tatsächlich möglich, die Geschwindigkeitskomponente für Objekte zu bestimmen, die sich auf die Radareinheit zu oder von ihr weg bewegen. Die für Meteorologen wichtigen Objekte sind Regentropfen und Schneeflocken. Da diese von den Winden mitgerissen werden, kann das Doppler-Radar tatsächlich in die Wolken sehen und die Winde in den Wolken erkennen.
Grafik des Nationalen Wetterdienstes
Doppler: Radar mit lebensrettendem Zweck
Der Hauptzweck des Doppler-Radars besteht darin, Tornado-Warnungen zu verbessern. Die Radare sind empfindlich genug, um die eigentliche Trichterwolke selbst zu erkennen; Meistens sucht NEXRAD nach dem sogenannten Mesozyklon – der intensiven Tiefdruckzirkulation, die den einzelnen Tornado umgibt, der sich in den schwersten Gewittern versteckt.
Es bietet auch eine verbesserte Auflösung und Empfindlichkeit und eine weiter reichende Reichweite, die die Erkennung von Wetterereignissen in viel größeren Entfernungen vom Radarstandort ermöglicht, sowie eine als duale Polarisation bekannte Funktion, die es dem Radar ermöglicht, zwischen Regen, Hagel und Schnee zu unterscheiden die alten WSR-57-Radare konnten das nicht.
Frühe Versuche zeigten, dass Regen, Graupel, Schnee, Hagel, Vögel und sogar Insekten alle unterschiedliche Signaturen mit doppelter Polarisation aufweisen, was eine deutliche Verbesserung bei der Vorhersage von Winterstürmen und schweren Gewittern bedeuten könnte.
Es gibt 155 WSR-88D-Doppler-Radare in den Vereinigten Staaten, einschließlich des US-Territoriums Guam und des Commonwealth von Puerto Rico. Der National Weather Service oder das Department of Defense betreiben die meisten Radargeräte.
Wenn Sie sich also das nächste Mal diese farbenfrohen Wetterkarten auf Ihrem Fernsehbildschirm ansehen, denken Sie daran, dass die komplexe lebensrettende Technologie dahinter zum Doppler-Radar gehört.