Wasserdampfmessungen in der Mesosphäre mit MISI

Das IAP besitzt seit 2009 ein Mikrowellen-Spektrometer mit der Bezeichnung MISI (MIcrowave Spectrometer at IAP) zur Messung von Wasserdampf-Profilen von ca. 30 bis 85 km. Technische Einzelheiten dieses Instrumentes sind HIER dargestellt.

Wasserdampf in der mittleren Atmosphäre spielt für die am IAP verfolgten wissenschaftlichen Ziele eine große Rolle. Dies betrifft z. B. die als NLC und PMSE bekannten Eisteilchen, die aus Wasserdampf kondensieren und die einen wichtigen Forschungsschwerpunkt am IAP darstellen. Man kann die Ursachen für jährliche und dekadische Variationen von NLC-Parametern erst dann schlüssig ergründen, wenn die entsprechenden Veränderungen in der Konzentration von Wasserdampf bekannt sind. Außerdem führen diese Eisteilchen zu einer Umverteilung von Wasserdampf, da sie in der Phase des Wachstums H₂O aufsammeln, der dann bei der Sublimation in 82 km deponiert wird. Dieser Prozess führt dort zu einer deutliche Erhöhung der Wasserdampfkonzentration und in darüber liegenden Höhen zu einer Erniedrigung (`freeze-drying').

Die Konzentration von Wasserdampf (in ppmv) über ALOMAR im Sommer 2009, berechnet mit dem Modell LIMA. Der `freeze-drying`-Effekt führt zu einer Erniedrigung von H2O oberhalb von etwa 85 km und zu einer Erhöhung in ca. 82 km Höhe. Sporadische Mischungsereignisse führen zu einer temporären Durchmischung.

Wasserdampf spielt auch zur Verifikation von Chemie/Transport-Modellen eine wichtige Rolle, da die Konzentration sowohl von photochemischen Prozessen (z.B. Erzeugung durch Oxidation von Methan und Zerstörung durch Photodissoziation durch Ly_alpha) als auch vom Transport aus der unteren Atmosphäre bestimmt wird. Außerdem führt eine Änderung der horizontalen Zirkulation in der Stratosphäre und unteren Mesosphäre zu einer Änderung der H₂O-Konzentration, da die Häufigkeit von H₂O in mittleren Breiten größer ist als in polaren Breiten. Deshalb führt z. B. die Änderung der Zirkulation im Rahmen einer stratosphärischen Erwärmung zu einem kurzfristigen Anstieg der Wasserdampf (siehe Abbildung).

Wasserdampf-Konzentration gemessen von MISI (in ppmv) vom 6. Dezember 2009 bis 26. März 2010. Man erkennt deutlich die periodischen Erhöhungen aufgrund des Transports von feuchter Luft aus niedrigeren Breiten, verursacht durch eine Zirkulationsänderung aufgrund einer stratosphärischen Erwärmung (aus Peters et al., JASTP, 2014).

Mit dem Wasserdampfspektrometer MISI steht dem IAP ein Instrument zur Verfügung, welches sich hervorragend in die vorhandene Infrastruktur einfügt und das Spektrum der experimentellen und theoretischen Möglichkeiten zur Untersuchung der Stratosphäre und Mesosphäre erheblich erweitert.

Veröffentlichungen (Auswahl)

F.-J. Lübken, U. Berger, J. Kiliani, G. Baumgarten und J. Fiedler, Solar variability and trend effects in mesospheric ice layers, in Climate And Weather of the Sun-Earth System (CAWSES): Highlights from a priority program, Springer, F.-J. Lübken, Dordrecht, The Netherlands, doi:10.1007/978-94-007-4348-9, 2012.
D. H. W. Peters, K. Hallgren, F.-J. Lübken und P. Hartogh, Subseasonal variability of water vapor in the upper stratosphere/ lower mesosphere over Northern Europe in winter 2009/2010, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 9-18, doi:10.1016/j.jastp.2014.03.007, 2014.