Schwerewellen in Wind, Temperatur und Spurenstoffen

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, horizontale Wellenlängen betragen zwischen 10 km und einigen tausend Kilometern, vertikale Wellenlängen zwischen einigen Kilometern und 30 km. Angeregt werden Schwerewellen unter anderem an orographischen Hindernissen, in starken Konvektionszellen wie zum Beispiel starken Gewitterstürmen oder am Jetstream in der Tropopausenregion.

Schwerewellen sind ein wichtiger Antrieb für die Zirkulation der Atmosphäre, weil sie Energie und Impuls vom Ort der Anregung nach oben transportieren, bis sie in der mittleren Atmosphäre brechen. Dort werden Energie und Impuls wieder an die Hintergrundatmosphäre übertragen. Auf diese Weise treiben Schwerewellen die residuelle meridionale Zirkulation vom Sommer- zum Winterpol an, die die Ursache der beobachteten kalten Sommermesopause ist.

Mittels Lidar-Messungen werden Schwerewellen in Wind- und Temperaturdaten und in leuchtenden Nachtwolken (NLC) untersucht. Windmessungen über Andenes ermöglichen erstmals, gleichzeitig die potentielle und auch die kinetische Wellenenergie abzuleiten. Temperaturdaten der Mesosphäre über Kühlungsborn und Andenes können seit mehreren Jahren gewonnen werden, so dass hier auch die jahreszeitliche Variation der Wellenaktivität untersucht werden kann.

Während bei diesen Daten die zeitliche Auflösung meist bei rund einer Stunde liegt, ermöglicht die große Signalstärke in NLC auch die Messung kurzperiodischer Schwerewellen. Mit speziellen Kameras wird die zweidimensionale Struktur von Schwerewellen in Airglow (OH-Schicht in etwa 87 km Höhe) beobachtet. Die daraus gewonnenen Temperaturdaten werden mit Vertikalprofilen von Lidars verglichen.

Veröffentlichungen (Auswahl)

  • Baumgarten, K., M. Gerding, G. Baumgarten, and F.-J. Lübken Temporal variability of tidal and gravity waves during a record long 10 day continuous lidar sounding, Atmos. Chem. Phys., 18, 371–384, doi:10.5194/acp-18-371-2018, 2018
  • Baumgarten, K., M. Gerding, and F.-J. Lübken, Seasonal variation of gravity wave parameters using different filter methods with daylight lidar measurements at mid-latitudes, J. Geophys. Res., 122, doi:10.1002/2016JD025916, 2017
  • G. Baumgarten und D. C. Fritts, Quantifying Kelvin-Helmholtz instability dynamics observed in Noctilucent Clouds: 1. methods and observations, J. Geophys. Res., 9324–9337, doi:10.1002/2014JD021832, 2014.
  • N. Kaifler, G. Baumgarten, J. Fiedler und F.-J. Lübken, Quantification of waves in lidar observations of noctilucent clouds at scales from seconds to minutes, Atmos. Chem. Phys., 13, 11757-11768, doi:10.5194/acp-13-11757-2013, 2013.
  • N. Kaifler, G. Baumgarten, A. R. Klekociuk, S. P. Alexander, J. Fiedler und F.-J. Lübken, Small scale structures of NLC observed by lidar at 69°N/69°S and their possible relation to gravity waves, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 104, 244-252, doi:10.1016/j.jastp.2013.01.004, 2013.
  • S. Suzuki, F.-J. Lübken, G. Baumgarten, N. Kaifler, R. Eixmann, B. P. Williams und T. Nakamura, Vertical propagation of mesoscale gravity wave from the lower to the upper atmosphere, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 97, 29-36, doi:10.1016/j.jastp.2013.01.012, 2013.
  • H. Wilms, M. Rapp, P. Hoffmann, J. Fiedler und G. Baumgarten, Gravity wave influence on NLC: Experimental results from ALOMAR, 69°N, Atmos. Chem. Phys., 13, 11951-11963, doi:10.5194/acp-13-11951-2013, 2013.
  • J. Hildebrand, G. Baumgarten, J. Fiedler, U.-P. Hoppe, B. Kaifler, F.-J. Lübken und B. P. Williams, Combined wind measurements by two different lidar instruments in the Arctic middle atmosphere, Atmos. Meas. Tech., 5, 2433-2445, doi:10.5194/amt-5-2433-2012, 2012

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Dr. Jens Hildebrand