Mikrophysikalische Modellierung der Entstehung von NLC und PMSE mit CARMA

Die Physik von PMSE

Radarechos in der Mesosphäre entstehen, wenn der Brechungsindex, der direkt proportional zur freien Elektronendichte ist, Variationen auf räumlichen Skalen von einer halben Radarwellenlänge zeigt (`Bragg-Streuung'). Da die benutzten VHF Radars auf typischen Frequenzen von 50 MHz (Bragg Wellenlänge von 3 m) betrieben werden, sollten diese Strukturen aber aufgrund der hohen thermischen Diffusion der Elektronen nicht existieren können. Durch die Anwesenheit von Eisteilchen, die sich im Hintergrundplasma aufladen, wird allerdings aufgrund ambipolarer Kräfte die Elektronendiffusivität stark reduziert.

Durch die reduzierte Diffusion der Elektronen in Anwesenheit geladener Eisteilchen versteht man nun auch, warum PMSE in der Vergangenheit auch dann beobachtet werden konnte, wenn keine Neutralgasturbulenz vorlag, die die Produktion kleinskaliger Strukturen erklärt hätte. So ergaben unsere Untersuchungen, dass die Lebensdauer von Strukturen, die durch Turbulenz in einem eisbeladenen Plasma gebildet werden, stark vom Radius der involvierten geladenen Eisteilchen abhängt, sie variiert nämlich mit dem Quadrat des Eisteilchenradius.

Die Abbildung zeigt die mit Hilfe dieses Diffusionsmodells berechnete Signalabnahme der PMSE nach dem Abklingen eines turbulenten Ereignisses (als rechteckförmiger Puls dargestellt) für verschiedene Eisteilchenradien. Diese Berechnungen zeigen, dass das PMSE Signal im Falle großer Eisteilchen noch lange nach dem Abklingen der aktiven Turbulenz im Neutralgas über dem Rauschniveau liegt. So beträgt die Zeit, in der das PMSE Signal z. B. um 10 dB abklingt, 2.5, 10 und 180 min in der Anwesenheit von Eisteilchen mit Radien von 5, 10 und 20 nm. Es kommt also zu einer zeitlichen Entkopplung von aktiver Turbulenz und PMSE, da die Strukturen im Plasma noch um bis zu einige Stunden nach dem Ende der aktiven Turbulenz weiter existieren.

Aus diesem Grunde haben wir einen Proxy für die Existenz von PMSE vorgeschlagen: das Produkt der Eisteilchen-Ladungsdichte und dem Radienquadrat der Eisteilchen. Ergebnisse der Berechnung dieses Proxys auf der Grundlage von CARMA-Simulationen in Kombination mit Berechnungen der Aufladung von Eisteilchen sind in obiger Abbildung dargestellt. In Übereinstimmung mit der Vielzahl von Beobachtungen in PMSE ergeben diese Berechnungen den Höhenbereich des Proxys zwischen 80 und 90 km mit dem Maximalwert in ca. 86 km. Dabei ist anzumerken, dass der auf der Grundlage der CARMA Ergebnisse berechnete Höhenbereich mit NLC (Rückstreuverhältnis > 1), den ein Lidar auf einer Wellenlänge von 532 nm beobachten würde, exakt am unteren Rand des Proxys liegt.

Ergebnisse

  • Der Einfluß von Schwerewellen auf NLC [mehr]
  • Die Physik von PMSE [mehr]