Turbulenzmessungen am Ballon

Prinzip der Kombination zweier Windmessverfahren

Die niedrig aufgelösten Windmessungen (vertikale Auflösung: 10 m) erfolgen mittels GPS-Positionsbestimmung mit einer normalen Radiosonde. Der mittlere Wind bewegt die Sonde, da der Ballon wie ein Segel wirkt und dessen Bewegung auf die Messplattform übertragen wird (siehe Abbildung rechts). Vom Anemometer auf der Plattform wird die Geschwindigkeit der Luftströmung relativ zur Messplattform gemessen. Genauer gesagt misst das Anemometer in-situ die vertikale Windscherung zwischen zwei Niveaus, da der Wind im Allgemeinen in Höhe des Ballons (v1) eine etwas andere Stärke haben wird als in Höhe der Messplattform (v2). Diese Windscherung bildet die Grundlage für Messungen mit dem Hitzdrahtanemometer und soll außerdem zur Ableitung von Turbulenzparametern spektral analysiert werden.

Hochaufgelöste Windmessungen mit sog. Hitzdrahtanemometern (engl. „constant temperature anemometer“ CTA) nutzen die windabhängige Kühlung eines stromdurchflossenen Drahtes, die durch eine Regelelektronik mit Wheatstone-Brücke ausgeglichen werden kann. Messgröße ist die Spannung, die notwendig ist, um den Draht auf konstanter Temperatur (hier z.B. 245 °C) zu halten. Die Ausgangsspannung wird mit 2000 Hz abgetastet, was bei einer Ballon-Aufstiegsrate von 5 m/s einer vertikalen Auflösung von 2,5 mm entspricht. Der platin-ummantelte Wolframdraht hat bei einer Länge von 1,25 mm nur eine Dicke von 5 μm (siehe Abbildung 1). Der senkrecht ausgerichtete Draht reagiert besonders auf horizontale Strömungen, d.h. er misst hauptsächlich die Fluktuationen im Horizontalwind (siehe Abbildung 2). Die CTA-Daten werden per Telemetrie zu einer Bodenantenne übertragen und zusätzlich auf der Nutzlast gespeichert.

Abb. 1: Detailansicht des Hitzdrahtanemometers mit 5 µm Wolframdraht
Abb. 2: Schematischer Aufbau der Nutzlast mit Sensor und zusätzlicher Radiosonde. Im Inneren der Box sind Spannungsversorgung und die Telemetrie untergebracht

Seit Dezember 2007 wurden mehrere Ballons erfolgreich in Kühlungsborn (54 °N, 12 °O) gestartet. Im Oktober 2008, 2009 und 2011 flog der CTA-Sensor außerdem als Teil der BEXUS-Nutzlast von Kiruna, Schweden aus (67 °N, 21 °O). Das Bild in der rechten Spalte zeigt ein Beispiel der mit dem Hitzdraht-Anemometer gemessenen Spannungsfluktuationen während des BEXUS-Flugs für den Höhenbereich 16,3 bis 16,6 km. Ein Spline-Trend wurde vom Signal abgezogen, um möglichen niederfrequenten Störungen Rechnung zu tragen, die z.B. von Bewegungen der Gonden herrühren können. Turbulente Schichten sind deutlich von stabil geschichtenen Regionen unterscheidbar. Die beobachteten Fluktuationen sind dabei eindeutig als Fluktuationen im Windfeld erkennbar und sind kein instrumentelles Artefakt. Die sehr klein-skaligen Fluktuationen in den nicht-turbulenten Regionen werden vom instrumentellen Rauschen verursacht.

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Forschungsschwerpunkte

Messprinzip

Messprinzip zur Wind-/Turbulenzmessung am Ballon

BEXUS-6-Flug

Höhenprofil der Spannungsfluktuationen während des BEXUS-6-Flugs am 8. Oktober 2008. Es wurden dünne turbulente Schichten mit scharfen Grenzen zu nicht-turbulenten Regionen beobachtet.