Gezeitenstrukturen in leuchtenden Nachtwolken (NLC)

Zielsetzung

Atmosphärische Gezeiten haben einen großen Einfluss auf die obere Mesosphäre, denn aus niederen Atmosphärenschichten breiten sie sich nach oben aus und sorgen für starke Variationen in vielen atmosphärischen Parametern. Die klassische Gezeitentheorie unterscheidet zwischen sogenannten migrierenden und nicht-migrierenden Gezeiten. Migrierende Gezeiten werden auch sonnensynchrone Gezeiten genannt, da sie sich westwärts mit der scheinbaren Bewegung der Sonne fortpflanzen. Sie werden angeregt durch Absorption solarer Strahlung von troposphärischem Wasserdampf und stratosphärischem Ozon. Die nicht-migrierenden Gezeiten bilden den Teil aller anderen Gezeiten, welche nicht sonnensynchron sind. Diese können durch verschiedene Mechanismen angeregt werden wie längenabhängige Variationen von Erwärmungsraten, ausgelöst beispielsweise durch unterschiedliche Spurengaskonzentrationen, Land-Meer-Verteilung oder Topographie. Atmosphärische Gezeitenwellen haben Perioden, die einem ganzzahligen Anteil eines Sonnentages entsprechen. Ein besonderes Phänomen der oberen Mesosphäre sind leuchtende Nachtwolken (NLC = noctilucent clouds (engl.)), welche die höchsten auf der Erde vorkommenden Wolken sind. Beobachtungen des ALOMAR-Observatoriums in Nordnorwegen (69°N) zeigen signifikante Gezeitenstrukturen in NLC-Messdaten. Diese Messergebnisse wurden mit Modellrechnungen von LIMA und LIMA-ICE verglichen. Die modellierte Helligkeit der NLC in Abhängigkeit von der Lokalzeit zeigt ein deutliches Maximum um 02 LT für das Jahr 2001. Die Lidarmessungen von ALOMAR haben ihr Maximum um 10 LT. Die von LIMA modellierte maximale und minimale Helligkeit stimmt gut mit der gemessenen Amplitude überein (10 % Abweichung). Die Phasenverschiebung von 8 Stunden zwischen Modell und Beobachtung kann möglicherweise dadurch erklärt werden, dass die vertikale Ausbreitung von Gezeiten im Modell etwas von derjenigen in der realen Atmosphäre differiert. Betrachtet man die komplette Hemisphäre, so wandert das Maximum der modellierten NLC-Helligkeit mit einer Periode von etwa 24 Stunden nach Westen, welches das Merkmal einer ganztägigen sonnensynchronen Gezeit ist. Vergleicht man allerdings die Helligkeit zu verschiedenen Zeiten, wird deutlich, dass das Maximum nicht homogen wandert, sondern fluktuiert und die Strukturen komplexer sind. Andere Komponenten, die nicht sonnensynchron sind, wie nicht-migrierende Gezeiten, Wellen oder nichtlineare Effekte der Mikrophysik, beeinflussen ebenfalls die NLC-Helligkeit.

Ergebnisse

Die Analyse zeigt, dass atmosphärische Gezeiten im LIMA Modell allgegenwärtig sind. Dies gilt insbesondere auch für mesosphärische Eisschichten. Verschiedene atmosphärische Größen beeinflussen jedoch das Wachstum der Eispartikel und damit die Helligkeit von NLC. Der Vergleich von Modell und Beobachtung zeigte hinsichtlich der Helligkeits-Amplitude eine gute Übereinstimmung, allerdings wies das Modell im Vergleich zu den Messungen eine Phasenverschiebung von 8 Stunden auf. An der Station ALOMAR zeigte sich eine hohe Korrelation zwischen niedrigen Temperaturen und hellen NLC. Insbesondere das Verhalten der Temperatur scheint die tageszeitliche Variation der mittleren saisonalen Helligkeit von NLC zu steuern. In Zukunft sollen die Analysen auf mehrere Jahre ausgedehnt werden. Des Weiteren wird insbesondere die Variation verschiedener atmosphärischer Parameter zwischen verschiedenen Sommern hinsichtlich der Bildung von Eisschichten in der polaren Sommermesopause untersucht werden.

Tageszeitliche Variation der NLC-Helligkeit (βmax) über ALOMAR. Gezeigt sind sowohl Modellrechnungen von LIMA-ICE (rot) als auch Lidarmessungen (schwarz).

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