Macht 5G Mobilfunk die Wettervorhersage kaputt?

Wettervorhersagen sind heute so exakt wie nie zuvor in der Geschichte. Das liegt vor allem an Erdbeobachtungssatelliten, die global eine Vielzahl verschiedener wetterrelevanter Daten präzise erfassen. Die Daten fließen dann in Computermodelle für die Wettervorhersage ein.

Einer der zahlreichen Werte ist der Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre, also das verdunstete, gasförmige und damit unsichtbare Wasser, das erst bei Abkühlung auskondensiert und dann Wolken und Niederschlag bildet. Gemessen wird er von ESA und NASA Satelliten

Den Wasserdampf sichtbar zu machen, ist für Meteorologen extrem wichtig. Kennen sie den Wert, können sie viel genauer vorhersagen, wo und wann ein Orkan, Hurrikan, Taifun oder Zyklon auf Land trifft. Erkennen sie den Wasserdampf indes nicht, können die Vorhersagen um hunderte Kilometer daneben liegen. Und auch die geschätzte Vorwarnzeit könnte gefährlich falsch sein. Menschenleben könnten in Gefahr geraten.

Eigenstrahlung der Wasserdampfmoleküle

Den atmosphärischen Wasserdampf messen Wettersatelliten mit passiven Sensoren. Die wichtigste Information liefern dabei die sehr schwachen Mikrowellensignale im Spektralbereich von 23,6 bis 24 GHz.

"Die Strahlung dort entsteht durch kleinste Änderungen in der Rotationsgeschwindigkeit von Wassermolekülen", erklärt Dr. Clemens Simmer, Professor für allgemeine und experimentelle Meteorologie an der Universität Bonn. "Und die Linie, um die es hier geht, liegt mit ihrem Zentrum bei 22,235 GHz. Das ist ein Bereich, in dem andere Gase und auch Wolken praktisch keinen Einfluss haben. Also messen wir dort nur den Wasserdampf. Diese Emission ist nichts anderes als Wärmestrahlung, die spürbar auch ein Herd abstrahlt. Nur messen wir diese Strahlung bei Wellenlängen im Zentimeterbereich."

Griff nach dem Frequenzbereich

Das Problem dabei: Die Internationale Telekommunikation Union (ITU) hat 2019 auf ihrer Weltkonferenz (WRC-19) in Sharm el Sheikh festgelegt, dass das neue 5G Netz im Bereich von 24,25 bis 27,5 GHz senden soll. Damit trennt nur noch eine Bandbreite von 0,25 GHz den Mobilfunkbereich von dem für Meteorologen so wichtigen Wasserdampfspektrum. Damit ist es fast unausweichlich, dass die Mobilfunkmasten- und Endgeräte den Meteorologen dazwischenfunken werden. 

"Die Strahlung der Geräte hört ja nicht bei 24 GHz auf, denn jeder Sender sendet mit einer gewissen Bandbreite", warnt Prof. Simmer. "Bandbreiten lassen sich gar nicht vermeiden, so dass sie immer in diesen Bereich hineinspielen."

Hinzu kommt, dass die Strahlung des Wasserdampfes nur ganz schwach ist. "Es sind ganz niedrige Energieänderungen im Wasserdampfmolekül und das macht es auch so schwierig, weil dadurch auch kleinste Verunreinigungen das Signal stören", erläutert Simmer. "Daher benötigen wir sehr niedrige Grenzwerte für die Strahlung der Sender unterhalb von 24 GHz." 

Kleiner Sender – große Wirkung

Die Flächenauflösung der Mikrowellensensoren auf heutigen Wettersatelliten erreicht etwa ein Raster mit einer Auflösung von zehn bis dreißig Kilometern. Ein einziger starker Mobilfunkmast oder ein Mobiltelefon, das in den kritischen Frequenzbereich hineinstreut, könnte die Satellitenmessungen damit für eine entsprechende Fläche wertlos machen.

Besonders stark dürfte es anfangs Satellitenaufnahmen von urbanen Zentren und Siedlungsgebieten betreffen. Aber weil 5G das autonome Fahren unterstützen soll, werden auch bald Fernstrassen und Autobahnen dazukommen. Und dabei wird es kaum bleiben. "Wir haben viele Schiffe, Flugzeuge. Mit Sicherheit wird 5G dort auch eingesetzt werden", erwartet Simmer "Wir kriegen also überall auf der Erde diese Störungen."

Kampf ums Frequenzspektrum

Schon jetzt erleben Meteorologen immer wieder, dass Dritte in für sie reservierten Frequenzbereiche eindringen. Ein solcher Bereich ist das L-Band um 1,4 Ghz. Dort misst etwa der ESA Erdbeobachtungssatellit SMOS die Bodenfeuchte auf den Kontinenten  und den Salzgehalt der Meeresoberfläche. 

"Je feuchter der Boden ist, desto weniger Energie strahlt er ab. Das können wir messen und diese Messung wird auch schon in der Wettervorhersage verwendet," berichtet Prof. Simmer. "Da müssen mittlerweile sehr aufwendige Vorverarbeitungs-Algorithmen laufen, um die Daten zu filtern und um Störungen herauszurechnen, also um zu bestimmen, was eine Störung ist und was ein Messsignal. Dadurch gehen schon einige Daten verloren."

Wahrscheinlich entstehen die Störungen in diesem Bereich vor allem durch Fernsteuerungen, möglicherweise für Garagentore. Besonders stark sind sie in Asien. Vermutlich liegt das daran, dass dort mehr entsprechende Produkte verkauft wurden, die auf der jeweiligen Frequenz senden.

Bei 5G dürfte die Wirkung indes ungleich stärker sein, als die vereinzelten Fernsteuerungen. "Ich gehe davon aus, dass die Sensoren in den Bereichen, in denen die Frequenzen viel genutzt werden, praktisch blind werden", sagt Simmer.

Nach der Markteinführung gibt es kein Zurück

Um die Störungen der Wettersatelliten wenigstens zu minimieren, hatte die World Meteorological Organisation (WMO) verlangt, dass der Leistungspegel der Sender begrenzt werden müsse. So sollten Sendemasten in angrenzende Bandbereiche höchstens mit -55 dBW (Dezibel Watt) ausstrahlen dürfen und Endgeräte mit -51dBW. Das entspricht einer Sendeleistung von weniger als 10 Mikrowatt.

Doch die Verhandlungsführer bei der WRC-19 in Sharm el-Sheik setzten sich über die strengen Forderungen der Meteorologen hinweg. Sie setzten die Grenze zunächst auf -33 dBW fest, was etwa einer Sendeleistung von 1 Milliwatt entspricht. Erst ab 2027 sollen dann strengere Regeln gelten: -39 dBW für Sendemasten und -35 dBW für Endgeräte.

Prof. Simmer warnt davor, dass es dann für die Meteorologen bereits zu spät sein könnte. Gerade in der kritischen Phase der 5G-Einführung sei nun damit zu rechnen, dass die Märkte weltweit mit weniger sauber sendenden Geräten überflutet werden: "Ich weiß nicht, ob man das Rad dann zurückdrehen kann. Bei allem, was jetzt so festgelegt wird, werden die Hersteller sagen: So, jetzt können wir uns zehn Jahre daran halten." 

Klima-Messreihen gefährdet

Wenn den Meteorologen ihre Wasserdampf-Linie verloren geht, gibt es auch für die Klimaforschung ein Problem: "Bei dieser Frequenz haben wir Satelliten sei 1980 und damit einmalige Zeitreihen für das Klimamonitoring, die wir damit aufgeben müssen", warnt Simmer.

Der Professor für allgemeine und experimentelle Meteorologie an der Universität Bonn fürchtet, dass das Ringen zwischen Telekommunikationsanbietern, Meteorologen und Behörden damit noch lange nicht zu Ende ist: "Als nächstes will man im Bereich der hohen 30er GHz etwas machen. Das ist der einzige Bereich, in dem wir das Wolkenwasser quantitativ sehr gut bestimmen können. Das ist nur kurz vor den 50-60 GHz, wo wir Temperaturprofile messen."

Und selbst auf diesen Bereich hätten die Funk- und Telekommunikationsentwickler schon ihren Blick geworfen. Dann werde es noch schwieriger für die Meteorologen. Denn um in solchen Frequenzbereichen gut funken zu können braucht man auch noch viel mehr Geräte. "Je höher die Frequenz, desto undurchlässiger wird die Atmosphäre. Man muss dann noch ein viel dichteres Netz von Sendern und Empfängern haben."

Seit dreißig bis vierzig Jahren sind diese Frequenzbereiche schon für die Wetterbeobachtung freigehalten. Sollten die Meteorologen aber nun das Ringen um die Einführung von 5G verlieren, könnten als nächstes auch die höheren Bereiche zur Disposition stehen. 

Noch hat die WMO ihren Kampf nicht aufgegeben. Gemeinsam mit den nationalen Wetterdiensten und dem Europäischen Zentrum für Mittelfristvorhersage (ECMWF) bemüht sie sich weiterhin um strengere Richtlinien und Auflagen für die Hersteller.