NLC-Modellierung mit MIMAS

MIMAS (Mesospheric Ice Microphysics And tranSport model) ist ein Modell, mit dem die Bildung von leuchtenden Nachtwolken mit einem Ensemble von 40 Millionen Kondensationskeimen untersucht wird. Verschiedene Modelle wie LIMA oder KMCM erzeugen zeitabhängige Simulationen der Erdatmosphäre (Temperatur, Wind und Dichte). MIMAS verwendet diese sogenannten dynamischen Felder, um Wasserdampf und Kondensationskeime zu transportieren. In einer Höhe von etwa 88 km bilden sich bei Temperaturen unterhalb von -140°C Eisteilchen um die Kondensationskeime. Diese wachsen in der Schicht um 83 km stark an, wenn niedrige Temperaturen (etwa -130°C) und ausreichend Wasserdampf am gleichen Ort auftreten. Durch das Wachstum auf die typische Größe von sichtbaren NLC-Teilchens (~50 nm) sinken die Eisteilchen immer schneller in wärmere Schichten ab und verdampfen bereits wenige Stunden nachdem sie sichtbar werden.

Die folgende Animation zeigt, wie MIMAS die Entwicklung einer NLC simuliert (mit Dynamik vom LIMA-Modell): Diese treten in einem Bereich um den Pol auf, der sich bis etwa 50°N erstreckt (erkennbar an den farbigen Konturen). Die Häufigkeit und Helligkeit der Eiswolken nimmt dabei mit der Entfernung zum Pol immer weiter ab, NLC südlich von 60°N sind selten. Mit bloßem Auge sichtbar als leuchtende Nachtwolke ist nur der Teil der Eiswolke entlang der Tag-Nacht Grenze (weiße Linien): Bei einem Sonnenstand bis zu 9° unter dem Horizont wird die Mesosphäre in 83 km Höhe noch von der Sonne beschienen, so dass die NLC-Teilchen Sonnenlicht streuen können, während es am Boden bereits Nacht ist. Die NLC selbst bewegt sich langsam ostwärts, während die Eisteilchen (schwarze Punkte) mit dem westwärts gerichteten Wind durch die Wolke transportiert werden.

Mit MIMAS kann auch die Entwicklung von NLC-Teilchen nachverfolgt werden: Bei 69°N wachsen weniger als 1% der entstandenen Eisteilchen bis auf 50 nm heran, diese Teilchen werden im Schnitt 36 Stunden alt. Das Hauptwachstumsphase der sichtbaren Eisteilchen dauert weniger als 6 Stunden, in diesem Zeitraum wird das Absinken der Teilchen durch Aufwinde kompensiert. Die Größe der Eisteilchen kann mit Lidarmessungen experimentell bestätigt werden. Dabei stellt sich auch heraus, dass NLC-Teilchen besser durch eine Mischung von langgestreckten und abgeplatteten Zylindern beschrieben werden als durch kugelförmige Teilchen.

Veröffentlichungen (Auswahl)

  • J. Kiliani, G. Baumgarten, F.-J. Lübken, U. Berger und P. Hoffmann, Temporal and spatial characteristics of the formation of strong noctilucent clouds, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 104, 151-166, doi:10.1016/j.jastp.2013.01.005, 2013.

Ansprechpartner

Johannes Kiliani