Temperaturmessungen zwischen Arktis und Antarktis

Um ein besseres Verständnis über das zeitliche und räumliche Verhalten der thermischen Struktur der Atmosphäre zu erlangen, ist es nötig an vielen verschiedenen Standorten Temperaturmessungen durchzuführen. Mit dem weltweit einzigen mobilen (containerisierten) Dopplerlidar für die Mesosphäre/untere Thermosphäre können solche Messungen kontinuierlich mit guter Zeit- und Höhenauflösung im Höhenbereich von 80 bis 105 km durchgeführt werden (Abbildung 1). Die ersten erfolgreichen Messungen wurden 1995 an der Außenstelle des Instituts in Juliusruh (54°38 ′N, 13°24 ′O) demonstriert [Höffner und von Zahn, 1995].

Im Anschluss wurde 1996 eine Messkampagne auf dem Forschungsschiff ”Polarstern“ des Alfred-Wegener-Instituts durchgeführt, um erstmals die Breitenabhängigkeit der Mesopause von 71°S bis 45°N zu untersuchen (Abbildung 2). Dabei wurde auf experimentellem Wege ein bimodales Höhenverhalten der Mesopause, die so genannte Zwei-Niveau-Mesopause entdeckt [von Zahn et al., 1996]. Gleichzeitig wurden Kaliumdichten bestimmt und ein entsprechendes Modell der Kaliumschicht entwickelt [Eska et al., 1999]. Von Juni 1996 bis Februar 1999 wurde das mobile Lidar anschließend am Institut in Kühlungsborn im Routinebetrieb betrieben (54°07 ′N, 11°46 ′O). Durch kontinuierliche Messungen an einem Ort über Jahre hinweg wurde das Zwei-Niveau-Verhalten der Mesopause bestätigt [She und von Zahn, 1998] und lieferte zusätzlich neue Erkenntnisse über das jahreszeitliche Verhaltens der Kaliumschicht [Eska et al., 1998]. Diese Messungen zeigen auch erstmals die Existenz von freien Metallatomen oberhalb von 110 km Höhe [Höffner und Friedman, 2004]. In Kombination mit den Messungen des Metall-Lidars konnte zudem erstmals das Metallverhältnis von verdampfenden Meteoren beim Eintritt in die Atmosphäre bestimmt werden [von Zahn et al, 1999]. Seit 2001 werden die Temperaturmessungen mit einem zweiten, stationären K-Lidar in Kombination mit dem RMR-Lidar weitergeführt. Diese Kombination erlaubt gleichzeitige Messungen von Temperaturen von der Troposphäre bis in die untere Thermosphäre hinein.

Das mobile Doppler-Lidar wurde von März 1999 bis Dezember 2000 auf der Kanarischen Insel Teneriffa (28°18 ′N, 17°31 ′W) in einer Höhe von 2390 m betrieben, um in niedrigen Breiten das Zwei-Niveau-Verhalten der Mesopause zu untersuchen. Dort wurden auch erste Versuche zur Entwicklung eines Tageslichtfilters durchgeführt [Fricke-Begemann et al., 2002]. Ende 2000 wurden erstmals kontinuierlich über sieben Tage hinweg Temperaturen gemessen [Fricke-Begemann und Höffner, 2005].

Von Mai 2001 bis August 2003 wurde das Lidar auf der arktischen Insel Spitzbergen in der Nähe des Ortes Longyearbyen (78°14 ′N, 15°23 ′O) auf einem Hochplateau betrieben (Abbildung 3). Neben der Untersuchung von NLC und deren jahreszeitlichen Verhalten [Höffner et al., 2003] stand die Untersuchung der thermischen Struktur der Mesopause im Vordergrund. Ab 2004 wurde das K-Lidar zum weltweit ersten Eisen-Doppler-Lidar weiterentwickelt, um zukünftig bessere Messungen am Tage durchführen zu können [Lautenbach und Höffner, 2004]. Anschließend wurde mit dem Fe-Lidar eine einjährige Messkampagne am ALOMAR-Observatorium (69°N) durchgeführt. Von Ende 2010 bis Anfang 2013 wurde das Fe-Lidar für mehr als zwei Jahre an der australischen Antarktis-Station Davis (69°S) eingesetzt. Im Sommer 2014 erfolgte erneut ein Transport an das ALOMAR-Observatorium.

Veröffentlichungen (Auswahl)

  • J. Höffner und U. von Zahn, Mesopause temperature profiling by potassium lidar: Recent progress and outlook for ALOMAR, ESA SP-370, 403-407, in Lillehammer95, B. Kaldeich-Schürmann, 1995.
  • U. von Zahn und J. Höffner, Mesopause temperature profiling by potassium lidar, Geophys. Res. Lett., 23, 141-144, 1996.
  • V. Eska, J. Höffner und U. von Zahn, Upper atmosphere potassium layer and its seasonal variations at 54°N, J. Geophys. Res., 103, 29207-29214, 1998.
  • C. Y. She und U. von Zahn, Concept of a two-level mesopause: Support through new Lidar observations, J. Geophys. Res., 103, 5855-5863, 1998.
  • V. Eska, U. von Zahn und J. M. C. Plane, The terrestrial potassium layer (75-110 km) between 71°S and 54°N: Observations and modelling, J. Geophys. Res., 104, 17173-17186, 1999.
  • U. von Zahn, M. Gerding, J. Höffner, W. J. McNeil und E. Murad, Iron, calcium, and potassium atom densities in the trails of Leonids and other meteors: Strong evidence for differential ablation, Meteorit. & Planet. Sci., 34, 1017-1027, 1999.
  • C. Fricke-Begemann, M. Alpers und J. Höffner, Daylight rejection with a new receiver for potassium resonance temperature lidars, Opt. Lett., 27(21), 1932-1934, 2002.
  • J. Höffner, C. Fricke-Begemann und F.-J. Lübken, First observations of noctilucent clouds by lidar at Svalbard, 78°N, Atmos. Chem. Phys., 3, 1101-1111, 2003.
  • J. Höffner und J. S. Friedman, The mesospheric metal layer topside: A possible connection to meteoroids, Atmos. Chem. Phys., 4, 801-808, 2004.
  • C. Fricke-Begemann und J. Höffner, Temperature tides and waves near the mesopause from lidar observations at two latitudes, J. Geophys. Res., 110, D19103, doi:10.1029/2005JD005770, 2005.
  • J. Höffner und J. S. Friedman, The mesospheric metal layer topside: Examples of simultaneous metal observation, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., doi:10.1016/j.jastp.2005.06.101, 2005.
  • J. Höffner und C. Fricke-Begemann, Accurate lidar temperatures with narrowband filters, Opt. Lett., 30(8), 890-892, 2005.
  • J. Lautenbach und J. Höffner, Scanning iron temperature lidar for mesopause temperature observation, Appl. Optics, 43(23), 4559-4563, 2004.
  • J. Lautenbach, J. Höffner, F.-J. Lübken und M. Zecha, The thermal structure at the topside and above of polar mesosphere summer echoes over Spitsbergen 78°N, Ann. Geophys., 26, 1083-1088, 2008.
  • J. Höffner und F.-J. Lübken, Potassium lidar temperatures and densities in the mesopause region at Spitsbergen (78°N), J. Geophys. Res., D20114, doi:10.1029/2007JD008612, 2007.

Ansprechpartner

Dr. Josef Höffner