Erste Ergebnisse der Turbulenzmessungen in der Stratosphäre

Seit Dezember 2007 wurden mehrere Ballons erfolgreich in Kühlungsborn (54 °N, 12 °O) gestartet. Im Oktober 2008 flog der CTA-Sensor außerdem als Teil der BEXUS-6-Nutzlast von Kiruna, Schweden aus (67 °N, 21 °O). Das Bild in der rechten Spalte zeigt ein Beispiel der mit dem Hitzdraht-Anemometer gemessenen Spannungsfluktuationen während des BEXUS-Flugs für den Höhenbereich 16,3 bis 16,6 km.

Für die Bestimmung der Turbulenz ist es nicht notwendig, absolute Windgeschwindigkeiten aus den CTA-Messungen abzuleiten. Die spektrale Analyse der gemessenen Spannungssignale ermöglicht die Bestimmung der mittleren Gradienten im zeitlichen Spektrum der Messdaten. Typischerweise wird aus einer Zeitreihe von 4-10 s ein einzelnes Spektrum gewonnen. Innerhalb dieser Zeit sind Dichte und Temperatur hinreichend konstant und verfälschen das Spektrum nicht wesentlich. Langsame Änderungen in Dichte und Temperatur werden außerdme vor der Analyse herausgerechnet. Das Bild unten zeigt das Ergebnis der Fourier-Analyse für eine turbulente Schicht zwischen 16345 und 16365 m während des BEXUS-6-Flugs.

Ergebnis der Fourier-Analyse für die gemessenen Windfluktuationen während des BEXUS-6-Flugs. Das Spektrum entspricht den theoretischen Erwartungen für den inertialen und viskosen Unterbereich und zeigt das Vorhandensein von Turbulenz.

Im logarithmisch aufgetragenen Spektrum erkennt man über einen großen Bereich einen exponentiellen Abfall mit einer Steigung von -5/3 und den Übergang zu einer Steigung von -7. Diese Gradienten entsprechen den theoretischen Erwartungen für die Beobachtung des inertialen und des viskosen Unterbereichs im Spektrum der Windfluktuationen. Zum Vergleich ist ein an die Beobachtungen angepassten theoretisches Spektrum gezeigt. Damit zeigt das Bild die erste in-situ-Messung des turbulenten Spektrums in der Stratosphäre, die den Übergang zum viskosen Unterbereich erfasst. Darüberhinaus ist das Rauschniveau der Messung im Bild bei sehr kleinen räumlichen Skalen erkennbar.

Zukünftig sollen weitere ballongestützte Turbulenszondierungen von Kühlungsborn aus stattfinden. Für Oktober 2009 ist darüberhinaus ein Start unseres CTA-Sensors zusammen mit hochaufgelösten Temperaturmessungen im Rahmen des schwedisch-deutschen BEXUS-Programms in Kiruna, Schweden geplant. Damit wird es erstmals möglich sein, hochaufgelöste Messungen der Wind- und Temperaturfluktuationen in der Stratosphäre zu vergleichen.

Windfluktuationen

Höhenverlauf der gemessenen Windfluktuationen während des BEXUS-6-Flugs am 8. Oktober 2008. Man erkennt dünne turbulente Schichten mit scharfen Übergängen zum nicht-turbulenten Bereich.