Schwerewellen und Gezeiten in der polaren Atmosphäre über ALOMAR

Zielsetzung

Schwerewellen sind periodische Schwankungen von Temperatur, Dichte, Druck und Wind, die in der gesamten mittleren Atmosphäre beobachtet werden können. Ihre Perioden liegen zwischen einigen Minuten und mehreren Stunden, ihre horizontalen Wellenlängen können zwischen 10 km und einigen tausend Kilometern betragen. Die vertikalen Wellenlängen von Schwerewellen liegen zwischen einigen Kilometern und 30 km. Angeregt werden solche Wellen unter anderem an orographischen Hindernissen wie einzelnen Bergen oder ganzen Gebirgszügen, in starken Konvektionszellen wie zum Beispiel starken Gewitterstürmen, am Jet-stream in der Tropopausenregion oder durch Welle-Welle Wechselwirkungen.

Schwerewellen sind ein wichtiger Antrieb für die Zirkulation der Atmosphäre weil sie Energie und Impuls vom Ort der Anregung in der Atmosphäre nach oben transportieren und in den Höhen wieder an die Hintergrundatmosphäre übertragen, in denen sie brechen. Auf diese Weise treiben sie auch die residuelle meridionale Zirkulation vom Sommer- zum Winterpol an, die Ursache der beobachteten sehr kalten Sommermesopause ist. Erst durch Schwerewellen weicht die Mesopause um bis zu 90 K vom Strahlungsgleichgewicht ab und nur deshalb bilden sich in der Sommermesopausenregion Eisteilchen, die mit dem ALOMAR RMR-Lidar als leuchtende Nachtwolken und mit dem ALWIN VHF Radar als polare mesosphärische Sommerechos (PMSE) beobachtet werden. Beim Schwerewellen-Brechen wird außerdem Turbulenz erzeugt, die mit dem CONE-Instrument in der Mesosphäre und mit Ballon-Instrumenten in der Stratosphäre beobachtet wird.

Methoden

Für die Untersuchung von Schwerewellen in Temperatur-Messungen über ALOMAR wird das ALOMAR RMR-Lidar benutzt. Ergebnisse dieser Analysen werden auf dieser Seite präsentiert. Windmessungen in der unteren und mittleren Atmosphäre über ALOMAR werden zur Zeit nur mit Radar-Instrumenten durchgeführt und auf Schwerewellen in der Troposphäre/unteren Stratosphäre untersucht.

Zur Bestimmung der Schwerewellen-Amplituden und Energien aus den RMR-Lidar Messungen werden die Rohdaten aus jeweils einer Stunde aufintegriert, das dazugehörige Temperatur-Profil berechnet und dann die Integrationszeit um 10 min verschoben. Nach Abzug des Mittels der Einzelprofile einer Messung ergeben sich die Temperatur-Schwankungen, deren Ursache Schwerewellen und Gezeiten sind. Weitere Einzelheiten dazu finden sich in der Beschreibung der Ableitung von Schwerewellen-Energiedichten aus RMR-Lidar Messungen. Als typisches Beispiel für Schwerewellen über ALOMAR sind in der Abbildung die Temperatur-Abweichungen vom Nachtmittel für die RMR-Lidar Messung vom 2./3. Februar 2001 17 UT–05 UT gezeigt. Man erkennt abwärts laufende Phasenfronten der Schwerewellen, was einer Ausbreitung der Schwerewellen nach oben entspricht. Zusätzlich sieht man, dass über ALOMAR stets eine Vielzahl von Wellen mit unterschiedlichen Parametern beobachtet wird.

Temperatur Abweichungen

Beispiel der Temperatur-Abweichungen vom Nachtmittel für die RMR-Lidar Messung vom 2./3. Februar 2001 17 UT–05 UT. Temperaturen die über dem Nachtmittel liegen sind in gelb/rot dargestellt, Temperaturen unterhalb des Nachtmittels in blau. Die Kreuze am oberen Rand markieren die Einzelprofile. Man erkennt abwärts laufende Phasenfronten der Schwerewellen. Dies entspricht einer Ausbreitung der Schwerewellen nach oben.

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