5G wird die globale Wettervorhersage stören

Als Hurrikan Sandy 2012 die US-Ostküste verwüstete, hing der Tropensturm auch einige Tage lang über der Region New York. Die gewaltigen Wassermassen, die in Form von Starkregen niedergingen, kosteten mehr als 100 Menschen das Leben, überschwemmten ganze Gemeinden und zerstörten Teile der lokalen Infrastruktur.

Das Chaos und die Verwüstung wären aber mit Sicherheit noch größer gewesen, hätten wir keine so detaillierten und präzisen Vorhersagen zum Verlauf des Sturms gehabt. Wissenschaftler konnten diese Informationen bereits an das Notfallpersonal weiterleiten, lange bevor der Sturm auf Land traf.

Im Laufe der letzten Jahrzehnte ist die Meteorologie immer besser darin geworden, Informationen aus den Daten zu gewinnen, die über Satelliten im Weltall gesammelt werden. Das Ergebnis sind immer komplexere, akkuratere und langfristigere Vorhersagen.

Die Präzision, an die wir uns so gewöhnt haben, könnte nun aber in Gefahr sein, warnen Forscher. Unsere Fähigkeit, das Wetter mit einiger Gewissheit vorauszusagen, könnte um 40 Jahre zurückgeworfen werden – nicht zuletzt, weil ein Schlüsselwerkzeug für die Wettervorhersage durch technologische Innovationen bedroht wird.Telekommunikationstechnologien wie der 5G-Standard für mobiles Internet brauchen auf dem elektromagnetischen Spektrum Platz. Dieses Spektrum umfasst alle Arten elektromagnetischer Strahlung, von Mikrowellen über Infrarot- und UV-Licht bis zu Gamma- und Röntgenstrahlen. Mittlerweile ist der noch verfügbare Platz heiß begehrt. Und ein Großteil der Informationen, der in komplexe Wettervorhersagemodelle einfließt, stammt aus Bereichen des Spektrums, die direkt an jene Bereiche angrenzen, welche die Telekommunikationsunternehmen für ihre neuen Technologien nutzen wollen.

„Das ist ein bisschen wie in einem Wohnhaus“, erklärt Jordan Gerth, ein Atmosphärenwissenschaftler an der University of Wisconsin in Madison. „Man geht im Allgemeinen einfach davon aus, dass jeder Mieter einigermaßen leise ist. Im Land des Spektrums haben wir Bereiche für die meteorologische Nutzung, für die wissenschaftliche Nutzung und eben solche, die eine sehr ruhige Umgebung und ruhige Nachbarschaft brauchen. Aber die Telekommunikationssignale sind für gewöhnlich sehr laut und neigen dazu, ihren eigenen Bereich zu übertreten.“

„Das ist so, als würde man einen Kindergarten für kleine Kinder betreiben, die Mittagsschlaf machen wollen, aber direkt nebenan gibt es eine Sportbar. Es gibt zwar eine Wand dazwischen, aber man wird trotzdem die Geräusche von nebenan hören.“

Im vergangenen Monat haben sich Abgesandte diverser Länder und Handelsorganisationen auf der Weltfunkkonferenz der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) getroffen. Ziel der Konferenz war es, sich auf internationale Richtlinien dafür zu einigen, wie streng jene Bandbreiten des elektromagnetischen Spektrums geschützt werden sollen, die zur Wettervorhersage dienen. Oder mit anderen Worten: Wie viel Krach aus der Sportbar im Schlafraum noch zu hören sein darf.

Der letztendliche Beschluss könnte laut einigen Wissenschaftlern – darunter Jim Bridenstine, der Verwalter der NASA – dazu führen, dass die Wettervorhersage verschlechtert wird, womöglich sogar auf irreversible Weise.

Was steht auf dem Spiel?

Eines der kritischen Intervalle oder Frequenzbänder befindet sich laut William Blackwell, einem Atmosphärenwissenschaftler und Ingenieur am MIT, rund um 23,8 GHz. In diesem Mikrowellenband absorbiert Wasserdampf elektromagnetische Strahlung. Zurück bleibt ein schwaches Signal, welches von Messinstrumenten an Satelliten gemessen werden kann, die den Mikrowellenbereich des Spektrums absuchen. Das Problem ist, dass Telekommunikationsunternehmen Interesse daran zeigen, den Bereich des Spektrums direkt neben dem Wasserdampfsignal zu nutzen.

Das elektromagnetische Spektrum ist wie Wasser in einem Fluss: Es gibt nur eine begrenzte Menge. Ein Teil des Spektrums in nötig, um Wettervorhersagen zu machen. Und der Rest wurde größtenteils unter anderen Drahtlosstechnologien aufgeteilt: GPS, Funknavigation, Satellitensteuerung, Telekommunikation und so weiter. Die Nachfrage nach den verbleibenden freien Bereichen steigt.

„Der Grund für dieses Tauziehen sind die ganzen Mobiltelefone – wie das, das ich gerade in der Hand halte“, sagt Tom Ackerman, ein Atmosphärenwissenschaftler der University of Washington.

Früher waren die Bereiche für die Telekommunikation weit von den Bereichen für die Wetter- und Klimawissenschaften entfernt.

„Aber langsam geht uns der Platz auf dem Spektrum aus“, sagt Ackermann. „Früher konnten wir alle problemlos koexistieren, aber jetzt ist der Sandkasten voll.“

In den USA wurden die Bereiche des Mikrowellenspektrums direkt neben dem Intervall für den Wasserdampf um 23,8 GHz bereits erfolgreich für mehr als 2 Milliarden Dollar versteigert.

Vor der Auktion warnte Bridenstine davor, dass Interferenzen oder „Rauschen“ des 5G-Signals die Messung der Luftfeuchtigkeit über den Wasserdampf verschlechtern könnte. Damit würde die Qualität der Vorhersagen auf das Niveau der 1970er absinken, als es noch keine Mikrowellensensoren gab.

Galerie: 21 Momentaufnahmen – Die Atmosphäre des Lichts

Auch der stellvertretende Verwalter der NOAA, Neil Jacobs, warnte ein Kongresskomitee vor den Folgen: Die Telekommunikationsaktivität in den Bereichen des Spektrums, die an 23,8 GHz angrenzen, könnte die Genauigkeit der Vorhersagen um 30 Prozent reduzieren. Die Vorlaufzeit für die Vorhersage von Hurrikans könnte sich damit um zwei bis drei Tage reduzieren.

Zusammen mit anderen Forschern forderten sie ein strenges Rauschlimit für die angrenzen Signalbereiche. Die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) hatte eine Grenze von -42 Dezibel-Watt vorgeschlagen (je niedriger die Wattzahl, desto strikter der Grenzwert). Auf der Weltfunkkonferenz hatte sich die ITU jedoch auf -33 Dezibel-Watt bis zum Jahr 2027 geeinigt. Danach werden die Grenzwerte auf strengere -39 Dezibel-Watt reduziert.

Gerth zufolge sind diese Werte alles andere als ideal: „Das Problem wird nicht einfach verschwinden“, warnt er. 

Wie Satelliten die Wettervorhersage veränderten

Noch vor einem Jahrhundert waren selbst die besten Wettervorhersagen der Welt kaum mehr als gut durchdachte Spekulationen. Wolkenbilder und Wind konnten Hinweise darauf geben, was sich in den nächsten paar Stunden in der Atmosphäre abspielen würde. Aber alles, was zeitlich darüber hinausging, war unmöglich vorherzusagen. Heutzutage können Wissenschaftler mehr als eine Woche weit in die Zukunft sehen und relativ genaue Vorhersagen darüber treffen, was uns erwartet: Regen, Schnee, Sonne oder auch Hurrikans.

In den 1970ern hatten Forscher das Grundgerüst für die heutige Wettervorhersage gebaut. Sie hatten Computermodelle entwickelt, mit welchen sich die komplexen physikalischen Prozesse beschreiben ließen, die den Luftstrom in der Atmosphäre steuern. Je mehr Details über diese Prozesse sie in Erfahrung bringen konnten, desto besser wurden ihre Vorhersagen.

Allerdings mussten sie auch feststellen, dass die Atmosphäre sich trotz allem nur schwer vorhersagen ließ. Um Prognosen über das zukünftige Wetter treffen zu können, mussten sie das aktuelle Wetter exakt verstehen. Die physikalischen Vorhersagen funktionierten nur dann, wenn klar war, wie und wo die Prozesse begannen.

Wissenschaftler und Ingenieure auf der ganzen Welt erkannten, dass es darum ging, die bestmöglichen Daten über den aktuellen Zustand der Atmosphäre zu sammeln. Nur so konnten sie die bestmöglichen Wetterprognosen anstellen, glaubten sie.

Es wurde also immer mehr Aufwand betrieben, um Instrumente zu entwickeln, die die dreidimensionale Ausdehnung der Atmosphäre präzise vermessen konnten: Wie warm war die Luft in den verschiedenen Atmosphärenschichten, wie viel Wasserdampf befand sich in welcher Schicht, über Chicago, Jakarta oder mitten über dem Ozean?

Gerade die präzise Messung des Wasserdampfes stellte dabei einen kritischen Punkt dar. Die Wissenschaftler machen sich dabei den Umstand zunutze, dass Wasserdampf elektromagnetische Strahlung auf verschiedenen Frequenzen absorbiert.

Galerie: Tornados: Die Wissenschaft hinter der Zerstörungskraft

Als sich die Satellitenüberwachung verbesserte, stieg auch die Präzision der Wettervorhersagen. Mittlerweile ist eine 5-Tages-Vorhersage genauso akkurat wie eine Ein-Tages-Vorhersage in den frühen Achtzigern.

In letzter Zeit wurden die Beobachtungen der zahlreichen Mikrowellensensoren an den Satelliten im Erdorbit sogar noch wertvoller für die Wettervorhersage. Im vergangenen Jahrzehnt zeigten Forschungen des Europäisches Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW), dass Daten aus den Mikrowellenfrequenzen eine ausschlaggebende Rolle für kurzfristige Wettervorhersagen spielen. In diesem Bereich liefern sie etwa 20 Prozent der unverzichtbaren Informationen für die Vorhersagemodelle.

Mikrowellensensoren an Satelliten messen die Menge an Mikrowellenstrahlung, die aus der Atmosphäre kommt. Sie können errechnen, wie viel Wasserdampf vorhanden ist, indem sie die Emissionen in verschiedenen Frequenzbändern messen – unter anderem bei 23,9 GHz. Das Wasserdampfsignal in diesem Bereich ist allerdings sehr schwach – die Sensoren sind mittlerweile schlichtweg hochentwickelt genug, um das Signal trotzdem zu entdecken.

Selbst, wenn der Teil des Spektrums, der für die Wettervorhersage genutzt wird, streng geschützt wird, gibt es noch viele andere Bereiche für die Wettervorhersage, die auf ähnliche Weise durch Rauschen gefährdet sind.

„In anderen Bereichen des Spektrums geschieht genau dasselbe“, sagt Blackwell vom MIT. „Das 5G-Spektrum rückt immer näher an diese heiligen Spektralbereiche heran. Und das wird ein Problem werden.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.