Tausche schnelleres Netz gegen schlechtere Wettervorhersage

Wer sich heute über die Ungenauigkeit der Wettervorhersage beschwert, klagt auf hohem Niveau: In den vergangenen Jahren hat sie sich dank meteorologischer Forschung und dank der Möglichkeiten, das Wetter per Computer zu simulieren, stets verbessert. "Seit mehr als 50 Jahren gibt es diese numerische Wettervorhersage", sagt Susanne Crewell, Professorin für Meteorologie an der Uni Köln. "Und jede Dekade konnte man im Schnitt einen Tag weiter in die Zukunft sehen." 

Doch nun droht ein enormer Rückschritt – verursacht von einer Technologie, die die digitale Kommunikation beschleunigen sollte: 5G soll Mobilfunknetze endlich schneller und belastbarer machen. Doch die Umsetzung des neuen Mobilfunkstandards könnte die Wettervorhersage um Jahrzehnte zurückwerfen, befürchten US-Forscher. Die Kölner Meteorologin Susanne Crewell teilt diese Einschätzung. "In den USA sind Frequenzen zur Versteigerung angeboten, die unsere Messungen stören könnten", sagt sie.

Wasserdampf gegen Mobilfunk

Erste Frequenzen für den 5G-Ausbau sind in Deutschland und in den USA bereits kürzlich versteigert worden. In den Vereinigten Staaten wurden dabei unter anderem die Nutzungsrechte an einer Frequenz versteigert, die sehr nahe an einem der wichtigsten Frequenzbereiche für die Wettervorhersage liegt. Werden auf dieser Frequenz Mobilfunkdaten gesendet, beeinträchtigt das die Messungen von Meteorologen so stark, dass sie nutzlos werden könnten. Das zumindest sagen viele Forscher.

Im Kern geht es bei der Diskussion darum, dass Frequenzen für sehr unterschiedliche Zwecke genutzt werden. Zum einen können auf ihnen Daten über die Atmosphäre gemessen werden: Wasserdampf beispielsweise hat ein schwaches Mikrowellensignal, das Meteorologen mit sehr feinen Messgeräten empfangen können und das ein Indikator für das Wetter und auch das Klima der Zukunft ist. Zum anderen nutzen wir diese Frequenzen zunehmend für menschliche Kommunikation: Auf ihnen werden Radiosignale übertragen, aber eben auch Mobilfunksignale.

Daraus entsteht ein Spannungsfeld: Wissenschaftlern ist an der möglichst ungestörten Messung von Atmosphärendaten gelegen, die Industrie will die Frequenzen für kommerzielle Zwecke nutzen. Und da im Zuge der Digitalisierung die Anforderung wächst, stets stabiles und schnelles Internet für immer mehr Geräte bereitzustellen, spitzt sich der Konflikt gerade anlässlich der Einführung des neuen Mobilfunkstandards 5G zu.

Immer Stress mit der Nachbarfrequenz

Meteorologen messen die Konzentration von Wasserdampf, um das Wetter vorherzusagen. Am besten geeignet ist für diese Messung laut der Forscher die Frequenz 23,8 Gigahertz. Eine Frequenz, die dieser sehr nahe liegt, nämlich 24,25 Gigahertz, wurde jedoch gerade im März von der US-Behörde FCC versteigert – damit darüber 5G-Mobilfunksignale übertragen werden können.

Das Problem daran: Die Wasserdampfsignale, natürliche Mikrowellen der Luftfeuchtigkeit, sind im Vergleich zu 5G-Signalen schwach. Selbst wenn beide Signale nicht exakt auf der gleichen Frequenz senden, sondern nur nahe beieinanderliegen, könnte es – so die Befürchtung – zu starken Störungen kommen, weil die Mobilfunksignale die des Wasserdampfes überlagern könnten. Experten vergleichen das mit einem Nachbarn, der so laut Musik hört, dass man sich in der Nachbarwohnung nicht mehr unterhalten kann.

"Wasserdampf ist unser wichtigstes Treibhausgas", sagt Crewell. Schließlich sorgt er mit für eine lebensfreundliche Durchschnittstemperatur auf der Erde. Seine Konzentration beeinflusst wesentlich unser Wetter, aber auch das künftige Klima.

Vorhersagen so schlecht wie vor 40 Jahren?

Darum kritisierte Neil Jacobs, der stellvertretende Leiter der National Oceanic and Atmospheric Administration NOAA, die jüngsten US-Frequenzversteigerungen: Die daraus resultierenden Interferenzen – also gegenseitige Störungen von Sendern, die auf Frequenzen senden, die nah beieinanderliegen – würden die Genauigkeit der Wettervorhersage um 40 Jahre zurückwerfen, sagte er Ende Mai vor dem US-Kongress. Prognosen könnten bis zu 30 Prozent ungenauer werden. Und das hätte gefährliche Folgen, so Jacobs: Hurrikan Sandy etwa hätte mit dieser reduzierten Genauigkeit nicht mehrere Tage im Voraus prognostiziert werden können – sodass die Vorbereitungszeit zusammengeschrumpft wäre. Der Sturm, der 2012 auf die Ostküste der USA traf, verursachte trotz Vorbereitungen Sachschäden in Milliardenhöhe. 150 Menschen starben.

Ähnlich alarmiert äußerte sich die Nasa. Doch die US-amerikanische Mobilfunkindustrie wies die Warnungen beider US-Behörden zurück: Brad Gillen, Vizepräsident der Handelsorganisation der US-Mobilfunkindustrie CTIA, schrieb in einem Blogbeitrag, Jacobs Behauptung sei "absurd und nicht von der Wissenschaft gedeckt". Die Vorwürfe stützten sich auf eine einzige Studie, in deren Rahmen ein Mikrowellensensor untersucht worden sei, der überhaupt nicht existiere.

Andere Forscher sprangen Jacobs und seiner Wissenschaftsbehörde bei: Sie erklärten, es existiere durchaus jener Sensor an Bord eines Satelliten, der Wasserdampfdaten mit einer Frequenz von 23,8 Gigahertz messe – und damit anfällig sei für Interferenzen mit den geplanten 5G-Frequenzen aus dem 24-Gigahertz-Band.

Klimaprognosen in Gefahr

Es geht aber nicht nur ums Wetter. Auch die Überwachung des Klimas geriete durch diese Störungen in Gefahr, argumentierte Forscher Jacobs weiter: Selbst ein Datenverlust von nur zwei Prozent würde wahrscheinlich dazu führen, dass die NOAA die Arbeit an ihrem elf Milliarden Dollar teuren polarumlaufenden Satellitenprogramm einstellen müsse, sagte er vor dem Kongress.

Für die Klimamodelle sind konstante Daten auch aus der Vergangenheit nötig, bestätigt die Kölner Forscherin Crewell. Seit mehr als 30 Jahren beobachten darum Satelliten unter anderem im Bereich der 23,8-Gigahertz-Frequenz, wie sich der Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre verändert. Wenn es wärmer wird, kann immer mehr Wasserdampf in der Atmosphäre gespeichert werden. Das wiederum stärkt die Wirkung des Wasserdampfes als Treibhausgas: Je mehr Wasserdampf in der Atmosphäre gespeichert wird, umso wärmer wird es auf der Erde. "Wie sich das Klima über die vergangenen Jahrzehnte verändert hat, ist eine wichtige Datengrundlage, die uns Vertrauen in die Klimamodelle der Zukunft gibt", sagt Crewell. "Wenn dies nun unterbrochen wird, ist das eine Katastrophe."

Um zu vermeiden, dass die Messungen von Meteorologen von menschengemachten Signalen überlagert werden, sind bestimmte Frequenzen eigentlich für die Forschung reserviert. Andere Anwendungen dürfen auf ihnen nicht stattfinden. International regelt das die ITU, die International Communications Union, eine Organisation der Vereinten Nationen.

Der Frequenzbereich 23,6 bis 24 Gigahertz ist in einem internationalen Vertrag geschützt, den die ITU-Mitglieder unterzeichnet haben, sagt Markus Dreis, Frequenzmanager bei Eumetsat, der Europäischen Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten. 193 Länder sind Mitglied bei der ITU, darunter auch die USA. "Eine Fußnote schützt bestimmte Bereiche vor Aussendungen, darunter auch diesen." Offizieller Grund ist auch hier: Ein aktives Senden auf dieser Frequenz würde die Messungen der Meteorologen stören.

Der Druck, den 5G-Ausbau voranzutreiben, ist hoch

Doch der Druck wächst, den 5G-Ausbau so schnell wie möglich umzusetzen – die Frequenzen also wirtschaftlich zu verwerten. Und so sei in der Vergangenheit selbst über Frequenzen hart verhandelt worden, die eigentlich geschützt sind, sagt Crewell. Auch bei der ITU spricht man den Zusammenhang von 24-Gigahertz-Frequenz und Wetter- und Klimadaten an, er wird auch Thema bei der Weltfunkkonferenz sein, bei der im Oktober 5G-Regulierungen verhandelt werden. Doch Forscherin Crewell beklagt, Anwendungen wie Erdbeobachtung und Radioastronomie hätten bei solchen internationalen Gremien zur Frequenzregulation "nur geringes Gewicht".

Mit dem Versteigern der Frequenz 24,25 Gigahertz haben die USA nicht direkt gegen diese Einigung verstoßen, sagt Dreis, da diese Frequenz knapp über dem geschützten Bereich liegt. Er sagt aber auch: Nutzt man sie, berge das die Gefahr von Interferenzen der Messungen des Wasserdampfgehalts. In Europa habe seine Organisation Eumetsat gemeinsam mit der europäischen Weltraumbehörde ESA in sogenannten Verträglichkeitsstudien durch Computersimulationen gezeigt, dass 5G-Mobilfunksignale im 26-Gigahertz-Bereich die meteorologischen Messungen im benachbarten passiven 24-Gigahertz-Band stören können. "Es braucht Grenzwerte, mit welcher Intensität diese senden dürften", sagt Dreis. "Und die Grenzwerte der USA in den aktuellen Auktionen sind aus unserer Sicht nicht ausreichend, um die meteorologischen Daten zu schützen." Sprich: Die Studien zeigen mögliche Störungen der wissenschaftlichen Messungen, sollten 5G-Frequenzen oberhalb von 24 Gigahertz tatsächlich mit solchen Grenzwerten genutzt werden.

Anders als in den USA habe man sich in der EU auf deutlich strengere Grenzwerte für 5G im Frequenzband 24,25 bis 27,5 Gigahertz geeinigt, sagt Dreis. Wissenschaft, Wirtschaft und die Frequenzverwaltungen der europäischen Länder hätten einen Kompromiss erarbeitet. "Er ermöglicht einerseits die Einführung von 5G auf 26 Gigahertz und gewährleistet gleichzeitig ein gewisses Maß an Schutz der passiven Messungen", sagt Dreis. "Wir in Europa haben unsere Hausaufgaben gemacht."

Wird ein Sensor über Teilen der Welt gestört, kann das Auswirkungen auf die globalen Wetter- und Klimamodelle haben.
Markus Dreis, Frequenzmanager bei der Europäischen Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten

Dass in den USA weniger Rücksicht auf geschützte Frequenzen genommen wird, schockiert die Kölner Klimaforscherin Crewell. Das vorsichtigere Vorgehen in Europa bei der Frequenznutzung für 5G helfe wenig, solange sich die USA anders verhalten, sagt sie: "Das Wetter ist natürlich ein globales Phänomen." Das bestätigt auch Dreis: "Wird ein Sensor über Teilen der Welt gestört, kann das Auswirkungen auf die globalen Wetter- und Klimamodelle haben."

Entwarnungen für die deutsche Wettervorhersage sind also falsch. Denn: Sind in den USA die Messdaten schlechter, wirkt sich das auch auf die hiesigen Vorhersagen negativ aus. 

Auf welcher Frequenz senden wir übermorgen? 

Und die aktuellen Diskussionen rund um die Frequenzen im 24-Gigahertz-Bereich sind erst der Anfang. Künftig wird es immer wieder zu Verteilungskämpfen um die Nutzung von Frequenzen kommen. Satellitenmissionen, die die Erde beobachten und Atmosphärendaten auf bestimmten Frequenzen messen, haben sehr lange Vorlaufzeiten. Häufig nutzen die Forscherinnen und Forscher ungeschützte Frequenzen, in der Annahme, diese würden für menschliche Kommunikation ohnehin nie interessant. Doch das stimmt nicht.

Crewell etwa begleitet seit 2004 die zweite Generation europäischer Polarumlaufsatelliten. Diese Satelliten sollen erstmals höhere Frequenzen oberhalb von 200 Gigahertz nutzen. Crewell sagt, sie sei davon ausgegangen, dass niemand diese Frequenzen für Kommunikation nutzen wolle – die Atmosphäre schwäche dort viel zu stark ab. 2022 werden die Satelliten ins All geschossen, danach seien sie für 20 Jahre auf ihre Frequenzen festgelegt, da sie während der Mission nicht geändert werden können.

Ausweichen ist für Meteorologen keine Lösung

Auch für die Frequenz 24 Gigahertz sei nicht absehbar gewesen, dass die Industrie für 5G ein solches Interesse entwickle, sagt Crewell. Das bedeutet: Irgendwann in der Zukunft könnte die Wirtschaft auch Frequenzen ab 200 Gigahertz nutzen wollen.

Und es könnte noch mehr auf dem Spiel stehen, warnt Crewell: "Entwickelt sich 5G zu höheren Frequenzen und Breitbandanwendungen, sind weitere Mikrowellenmessungen gefährdet, die beispielsweise für die Vorhersage von Niederschlag oder Eiswolken wichtig sind."

Wenn der Autoabstandsradar dazwischenfunkt

Bislang gibt es lediglich Simulationsstudien wie die aus Europa, die die Störung von meteorologischen Messdaten durch 5G-Nutzung in benachbarten Frequenzen zeigen. Reale Erfahrungen mit Satellitendaten, die durch 5G gestört werden, fehlen naturgemäß – da ja Stand heute auf diesen Frequenzen noch keine Mobilfunkdaten gesendet werden. Es gibt aber praktische Erfahrung von Forscherinnen in einem anderen Bereich, die zeigen, wie störanfällig jene Signale sind.

Die Messung der Luftfeuchtigkeit mittels Radiowellen direkt am Boden gilt als die nächste bedeutende Entwicklung bei der Wettervorhersage. Wetterdienste werden sie bald nutzen – auch, um Klimamodelle zu verbessern. Mit Messungen, unter anderem in geschützten Frequenzbereichen, zeigten die Forscherinnen, dass die Methode funktioniert, sagt Crewell. Doch gleichzeitig konnten sie auch beobachten, wie die Signale immer schlechter messbar wurden. Weil sie von verschiedenen Quellen gestört wurden – beispielsweise vom Autoabstandsradar, der seine Daten auf einem ähnlichen Frequenzbereich übertragt.

Was hilft also? Ein Ausweichen auf andere Frequenzen für die meteorologischen Messung kann nicht die Lösung sein, sagt Crewell: "Es gibt keine anderen Frequenzen, die so gut für Wasserdampf, Wolken und Niederschlag geeignet sind, wie jene, die jetzt genutzt werden."

Die Forscherin rät stattdessen zu extremer Vorsicht bei der Vergabe der 5G-Frequenzen. Ihr Kollege Stephen English, Meteorologe am Europäischen Zentrum für Wettervorhersage, formuliert es radikaler. Dem Magazin Nature sagte er über die bereits bedrohte Frequenz 23,8 Gigahertz: "Wir müssen dieses Kronjuwel unserer Forschung unbedingt verteidigen – komme, was wolle."

Korrektur: In einer ersten Version dieses Textes wurde Susanne Crewell als Professorin für Geophysik und Meteorologie an der Uni Köln bezeichnet. Tatsächlich ist sie Professorin für Meteorologie. Wir bitten den Fehler zu entschuldigen.