Wechselwirkung von Eisteilchen und Kalium-Atomen

Zielsetzung

Mit dem mobilen K-Lidar wurden im Zeitraum 2001-2003 Temperaturen, NLC und Kaliumdichten auf Spitzbergen, 78° N gemessen. Dabei zeigte sich, das leuchtende Nachtwolken (NLC) und freie Kaliumatome zwar grundsätzlich im selben Höhenbereich vorkommen, aber niemals gleichzeitig im selben Volumen beobachtet werden können. Dies sollte aber zufällig hin und wieder der Fall sein, falls die Existenz der Kaliumschicht unabhängig von der Existenz der Eisteilchen wäre.  Die Beobachtungen zeigen zudem, dass beide Phänomene zeitweise sehr eng aneinander grenzen, wie in Abbildung 1 zu erkennen ist. Während leuchtende Nachtwolken und Kaliumschicht niemals gleichzeitig im selben Volumen beobachtet werden konnte, gilt dies nicht für gleichzeitige Radarbeobachtungen von PMSE (Polare Mesosphärische Sommer-Echos) mittels des Sousy-Svalbard Radars und der Kaliumschicht. Ein direkter Vergleich einzelner Messungen zeigt regelmäßig eine Koexistenz von Eisteilchen und PMSE. Der Verlauf der Oberkante der PMSE verläuft dabei häufig entlang starker vertikaler Gradienten innerhalb der Kaliumschicht und scheint mit dieser zeitweise korreliert zu sein. 

Solche Beobachtungen legen nahe, dass es in Gegenwart von Eisteilchen (PMSE und NLC) zu einem Abbau der Kaliumschicht in Abhängigkeit von der Teilchengröße kommt. Besonders deutlich wird ein solcher Zusammenhang wenn man das Auftreten von leuchtenden Nachtwolken und  PMSE mit dem Jahresgang der Kaliumschicht vergleicht.  Mit dem ersten Auftreten von Eisteilchen im Frühjahr (PMSE) steigt die Unterkante der Kaliumschicht deutlich an (Bild oben). Mitte Sommer ist die Unterkante der Kaliumschicht deutlich höher als im Frühjahr oder Herbst  vor bzw. nach dem ersten Auftreten von PMSE und  NLC. Der Verlauf von Isolinien der  Kaliumschicht verläuft dabei lange Zeit parallel zum Auftreten von PMSE. Ein solches Verhalten der Kaliumschicht mit einem starken Anstieg der Unterkante im Sommer wird an anderen Standorten, wie z.B. Kühlungsborn, nicht beobachtet.

Nachfolgende Labormessungen und Modellrechnungen mittels eines chemisch/dynamischen Modells der Kaliumschicht bestätigen einen Einfluss der Eisteilchen auf die Kaliumschicht. In Anwesenheit von PMSE kommt es zu einem teilweisen Abbau der Kaliumschicht durch Anlagerung freier Kaliumatome auf der Oberfläche der Eisteilchen. In Anwesenheit von größeren Eisteilchen (NLC) ist dieser Mechanismus so effizient, dass alle freien Kaliumatome aus der Atmosphäre entfernt werden. Mittels Modellrechnungen wie in Abbildung 3 kann das Verhalten der Kaliumschicht im Jahresgang nachvollzogen werden. Es zeigt sich, dass die Eisteilchen nicht nur einen Einfluss auf die Unterkante bzw. den unteren Teil der Kaliumschicht haben. Auch in größeren Höhen in denen Eisteilchen niemals beobachtet werden kommt es zu einem Abbau der Kaliumschicht als Resultat einer komplizierten Wechselwirkung von vertikalem Wind und chemischen Reaktionen die eine Umverteilung innerhalb der Kaliumschicht bewirken. Die Beobachtungen und Modellrechnungen zeigen anhand des Beispieles der Kaliumschicht, das Eisteilchen die Chemie der polaren Atmosphäre beeinflussen.

Ergebnisse  

  • Die Anwesenheit von PMSE führt zu einem teilweisen Abbau der Kaliumschicht  
  • In Anwesenheit von NLC werden alle freien Kaliumatome aus der Atmosphäre entfernt.  
  • Die mittlere beobachtbare Kaliumschicht in Anwesenheit von NLC/PMSE ist das Resultat einer komplexen Wechselwirkung von vertikalem Wind und chemischer Prozesse.

 Seitenanfang

Abbildung 1

Gleichzeitige Beobachtung von NLC, PMSE und Kaliumdichte auf Spitzbergen, 78° N.

Abbildung 2

Jahresgang der Häufigkeiten von PMSE, NLC im Vergleich zur mittleren Kaliumdichte.

Abbildung 3

Vergleich von beobachteter und modellierter Kaliumschicht für Mai und Juli für 78° N .

Kooperationen

  • Shikha Raizada, Arecibo Observatory, Puerto Rico
  • John Plane, University of Leeds, England