Forscher nutzen Strahlungsschwankungen

Mobilfunknetz ermöglicht Regenmessung

| Autor / Redakteur: Bernhard Lück / Andreas Donner

Aus den Strahlungsschwankungen zwischen Sendemasten von Mobilfunkbetreibern können Meteorologen Informationen über Regenfälle ableiten.
Aus den Strahlungsschwankungen zwischen Sendemasten von Mobilfunkbetreibern können Meteorologen Informationen über Regenfälle ableiten. (Bild: KIT / Christian Chwala)

Regentropfen dämpfen die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Meteorologen des KIT sei es nun gelungen, aus den Leistungsschwankungen auf Richtfunkstrecken Informationen über Regenfälle abzuleiten. Davon könne das Wassermanagement in Entwicklungsländern profitieren.

Üblicherweise bestimmen Meteorologen die Menge Regen, die innerhalb einer bestimmten Zeit fällt, mithilfe von automatischen Niederschlagstöpfen oder mittels Regenradar. Die neue Messmethode werte Strahlungsschwankungen zwischen Sendemasten von Mobilfunkbetreibern aus, um festzustellen, wann es wo wie viel regnet. Wissenschaftler am Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Garmisch-Partenkirchen erforschen diese Technik seit 2010 in Deutschland. Ein Vorteil der neuen Methode liege darin, dass sie mit nur minimaler Zeitverzögerung über lokale Regenfälle informiert. Zum anderen könne das eng geknüpfte Netz der Mobilfunkmasten eine hohe regionale Abdeckung mit Messungen ermöglichen.

Messung per Dämpfungsrate

„Regentropfen sind etwa so groß wie die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung der mit einer Frequenz von 15 und 40 GHz betriebenen Richtfunkstrecken, deshalb dämpfen sie die Strahlung in diesem Frequenzbereich stark“, erläutert Professor Harald Kunstmann vom IMK-IFU. Je stärker es regne, desto stärker sei der Leistungsabfall zwischen zwei Antennen. Handynutzer würden von dieser Beeinträchtigung des Funksignals in der Regel wenig bemerken. Allenfalls bei extremem Starkregen könne die Strahlung so sehr gedämpft sein, dass die Kommunikation zwischen den Mobilfunkmasten aussetzt und die Telefonverbindung abbricht. Den Forschern genügten die Schwankungen, um anhand der Dämpfungsraten festzustellen, wo es wie stark regnet.

Die Empfindlichkeit des Messverfahrens sei genauso hoch wie bei der klassischen Methode mit Niederschlagstöpfen. „Die Nachweisgrenze liegt bei einer Regenrate von einem Millimeter pro Stunde, und die Daten liegen mit einer Zeitverzögerung von nur einer Minute vor“, sagt Dr. Christian Chwala, Mitarbeiter in Kunstmanns Forschungsgruppe. Für Schnee funktioniere die Methode wegen der besonderen Struktur dieser Niederschlagsart allerdings nicht.

Getestet wurde die neue Technik nach KIT-Angaben anhand der Dämpfungsraten von 450 Richtfunkstrecken im südlichen Bayern. Ericsson Deutschland als Kooperationspartner habe es den Klimaforschern des KIT ermöglicht, mit ihrer eigens entwickelten Software einlaufende Daten direkt vom Rechenzentrum des Mobilfunknetzbetreibers zum KIT Campus Alpin zu übermitteln. Dort seien die Daten dann prozessiert und nach auffälligen Leistungsschwankungen durchsucht worden. Die Forscher benötigten dafür nur die Daten der Sende- und Empfangsleistung der Richtfunkstrecken. Sensible Informationen, wie z.B. Details der übertragenen Kommunikation, seien nicht erfasst worden.

Potenzial für Regionen ohne Wetterstationen

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) habe die Untersuchungen im Zuge des Projekts „Integrating Microwave Link Data For Analysis of Precipitation in Complex Terrain: Theoretical Aspects and Hydrometeorological Applications“ (IMAP) für vorerst zwei Jahre mit insgesamt 600.000 Euro gefördert. Das Projekt sei Teil einer trilateralen Kooperation mit Einrichtungen in Israel und Palästina. Eine Verlängerung für weitere drei Jahre sei beantragt, mit dem Ziel, die Zahl der ausgewerteten Richtfunkstrecken zu erweitern, die Qualität der automatisierten Datenauswertung zu verbessern und schließlich konkret auch für Hochwasser-Vorhersagezwecke zu nutzen. Auch die Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg unterstütze die Forschung.

„Deutschlandweit gibt es etwa 1.000 Messstellen für Niederschlag, aber schätzungsweise 100.000 Richtfunkstrecken, die sich theoretisch in den Messprozess einbeziehen ließen“, erläutert Dr. Felix Keis, ebenfalls Mitarbeiter in der Forschungsgruppe. Vor Hochwasser in Bergregionen könnte mithilfe der neuen Messtechnik schneller gewarnt werden. „Die Methode birgt aber vor allem großes Potenzial für Länder, in denen es nur wenige oder gar keine Wetterstationen oder Regenradargeräte gibt, jedoch ein dichtes Mobilfunknetz zur Verfügung steht“, betont Harald Kunstmann. Beispielsweise in Regionen wie Westafrika könnte die Messmethode dazu beitragen, genauere Niederschlagsinformation zu erhalten, um die für das Wassermanagement dringend notwendigen Vorhersagemodelle zu verbessern. Unter Federführung des KIT knüpfen internationale Forscher Kontakte mit westafrikanischen Wissenschaftlern und Mobilfunkbetreibern, u.a. in Ghana und Burkina Faso, um dort für die innovative Methode zu werben.

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