Turbulenz in der Mesosphäre

Wissenschaftliche Ziele

Für ein detailliertes physikalisches Verständnis der mittleren Atmosphäre müssen alle Beiträge zum Energiebudget genau bekannt sein. Einer der am wenigsten bekannten und quantifizierten Beiträge ist der durch Turbulenz, also durch die Dissipation kinetischer Energie (die zum Beispiel von Schwerewellen transportiert wird) in Wärme. Diese Dissipation findet in der Mesosphäre auf kleinsten Skalen statt (einige 10 Meter bis wenige Meter), so dass ein direkter experimenteller Zugang derzeit nur mit Hilfe von Raketengetragenen „in situ“ Messungen möglich ist (in situ = am Orte). Zur hochaufgelösten Vermessung der turbulenten Energiedissipation wurde daher am IAP ein Messinstrument entwickelt, mit dessen Hilfe Dichteschwankungen im Höhenbereich von 70-110 km detektiert werden können (CONE). Die Wirkungsweise dieses Messinstrumentes beruht auf der Tatsache, dass relative Dichteschwankungen in guter Approximation als passiver Tracer für turbulente Geschwindigkeitsfluktuationen angesehen werden können. Durch die Spektralanalyse dieser Dichtefluktuationen lassen sich Spektren bestimmen, aus denen die turbulente Energiedissipationsrate durch Vergleich mit theoretischen Spektren ermittelt werden kann. Mit Hilfe dieser Messungen der turbulenten Energiedissipation lassen sich dann auch indirekte Messungen der Energiedissipation wie etwa mit Radars kalibrieren (Turbulenzmessungen mit dem SAURA-MF-Radar).

Mit dieser Methode ist das IAP somit in der Lage den Höhenverlauf und die jahreszeitliche Variation mesosphärischer Turbulenz zu untersuchen und durch Vergleich mit anderen gleichzeitigen Beobachtungen mit Radars, Lidars, und anderen raketengetragenen Messungen (Meteorologische Raketen) die Quellen der Turbulenz zu identifizieren. Im Zusammenspiel mit den theoretischen Untersuchungen des IAP lassen sich damit dann nicht nur die lokalen Auswirkungen der Turbulenz, sondern auch ihre Ursachen (DNS von brechenden Schwerewellen) und ihr Effekt auf die globale residuelle Zirkulation (Modellierung der globalen residuellen Zirkulation) im Detail analysieren.

Kooperationen

  • Dr. Tom Blix & Prof. U.-P. Hoppe, FFI Kjeller, Norwegen
  • Prof. G. Lehmacher, Clemson University, USA
  • Prof. D. Fritts, Colorado Research Associates, Boulder, Co, USA

Turbulenz in der Mesosphäre

Ergebnisse

  • Turbulenzklimatologie: Vergleich Winter/Sommer in polaren Breiten [mehr]
  • Turbulenzmessungen in 69°N während MIDAS/MacWave 2002 [mehr]