Turbulenz in der Stratosphäre

Schwerewellen und Turbulenz spielen eine wichtige Rolle zum Verständnis der Energie-, Impuls-, und Spurenstoffbilanz in der Atmosphäre. Brechende Schwerewellen bilden immer kleinere Strukturen bis hin zu Turbulenzzellen. Dabei wird die enthaltene Energie dissipiert, d.h. in Wärme umgewandelt, und trägt zur lokalen Heizung in diesem Höhenbereich bei. Die so verlorene  Wellenenergie kann nicht weiter in die Mesosphäre transportiert werden. Auch für den Transport von Spurenstoffen ist Turbulenz von Bedeutung.

In der Stratosphäre gibt es bisher kaum Messungen von Turbulenz, da nur wenige geeignete Messverfahren zur Verfügung stehen. Um Turbulenz genau quantifizieren zu können, muss die innere Skala aufgelöst werden, d.h. die Längenskala, auf der Dissipation beginnt. Diese liegt in der Stratosphäre im Bereich von Zentimetern. Das ist nur mit in-situ Messungen möglich. Für die Stratosphäre bedeutet dies eine Einschränkung auf ballongetragene Systeme.
Solche Turbulenzmessungen gab es vereinzelt bereits in den 1980er Jahren. Diese konnten aber die innere Skala noch nicht auflösen. Am IAP wurde eine neue Messmethode namens LITOS entwickelt, mit der Wind und Temperatur mit bisher unerreichter vertikaler Auflösung von unter einem Millimeter erfasst werden.

Dieses Instrument wurde bereits mehrfach erfolgreich von Kühlungsborn, Andenes (Norwegen) und Kiruna (Schweden) gestartet. Aus den Daten wurden vertikale Profile der Energiedissipationrate in der Troposphäre und Stratosphäre erstellt (siehe Grafik). Die Messungen zeigen viele turbulente Schichten, die mit einer typischen Dicke von einigen 10 m bis wenigen 100 m unerwartet dünn sind. Selbst innerhalb einer Schicht schwankt die Energiedissipationsrate stark. Sie kann im Maximum leicht 1 - 10 mW/kg erreichen, was einer turbulenten Heizrate von rund 0,1 bis 1 K/Tag entspricht.

Veröffentlichungen (Auswahl)

  • A. Schneider, J. Wagner, J. Söder, M. Gerding und F.-J. Lübken, Case study of wave breaking with high-resolution turbulence measurements with LITOS and WRF simulations, Atmos. Chem. Phys., 17(12), 7941-7954, doi:10.5194/acp-17-7941-2017, 2017.
  • A. Schneider, M. Gerding und F.-J. Lübken, Comparing turbulent parameters obtained from LITOS and radiosonde measurements, Atmos. Chem. Phys., 15, 2159-2166, doi:10.5194/acp-15-2159-2015, 2015.
  • A. Theuerkauf, M. Gerding und F.-J. Lübken, LITOS – a new balloon-borne instrument for fine-scale turbulence soundings in the stratosphere, Atmos. Meas. Tech., doi:10.5194/amt-4-55-2011, 2011.

Ansprechpartner

Andreas Schneider