zur Startseite IAP Kühlungsborn
zur Startseite der Leibniz-Gemeinschaft

Ballongetragene Turbulenzmessung mit LITOS

Das ballongetragene Instrument LITOS (Leibniz Institute Turbulence Observations in the Stratosphere) misst turbulente Wind- und Temperaturfluktuationen mit hoher vertikaler Auflösung. Der Windsensor ist ein Konstant-Temperatur-Anemometer (Constant Temperature Anemometer, CTA), welches auf der Messung der konvektiven Abkühlung eines dünnen (5 µm) Drahtes basiert, siehe Skizze rechts. Der Draht wird durch eine Regelelektronik auf einer konstanten Temperatur von ca. 230°C gehalten. Aus der zum Nachheizen benötigten Spannung ergibt sich mittels einer Kalibrierung die Windgeschwindigkeit. Da sich der Ballon selbst mit dem Hintergrundwind in seiner Höhe mitbewegt, die Nutzlast aber ca. 100 m darunter hängt, misst der CTA-Sensor die vertikale Änderung des Horizontalwindes auf diesen 100 m. Die Temperaturmessung erfolgt mit einem Konstantstrom-Anemometer, welches im Prinzip ein Widerstandthermometer in Form eines dünnen (2 µm) Drahtes ist. Dessen sehr geringe Wärmekapazität bewirkt eine kurze Antwortzeit. Beide Sensoren werden mit 8 kHz abgetastet, was bei einer Abstiegsgeschwindigkeit von ca. 5 m/s eine vertikale Auflösung von unter einem Millimeter ergibt. Die Messungen erfolgen seit 2016 beim Abstieg mit nach unten ausgerichteten Sensoren, um Störungen z.B. durch die Wirbelschleppe des Ballons zu vermeiden. Zur Erfassung der atmosphärischen Hintergrundparameter (Druck, Hintergrundtemperatur, Feuchte, Hintergrundwind per GPS) wird eine Radiosonde genutzt.

LITOS kann mit einer 4 kg schweren Nutzlast (siehe linkes Foto) von jeder Radiosondenstation aus gestartet werden. Mehrere erfolgreiche Flüge von unserem Institutsgelände in Kühlungsborn wurden bereits durchgeführt. Außerdem ist LITOS in erweiterter Version mit mehreren Sensoren auf einer großen (160 kg) Nutzlast im Rahmen von BEXUS-Kampagnen mitgeflogen (rechtes Foto).

Die Grafik zeigt die spektrale Leistungsdichte (power spectral density, PSD) der Windfluktuationen zwischen 10,27 bis 10,28 km Höhe. Man erkennt einen inertialen Bereich mit Steigung −5/3 sowie den Übergang in den viskosen Unterbereich mit Steigung −7. Der Bereich mit konstanter PSD bei räumlichen Skalen kleiner als etwa 10-2 m entspricht dem instrumentellen Rauschlevel. Durch Anpassen des Heisenbergschen Turbulenzmodells an das gemessene Spektrum erhält man die innere Skala l0, welche den Übergang zwischen inertialem und viskosem Regime bezeichnet. Daraus kann die Energiedissipationsrate mittels ε = c ν3/l04 (c: Konstante, ν: kinematische Viskosität) berechnet werden.

Veröffentlichungen (Auswahl)

  • J. Söder, C. Zülicke, M. Gerding und F.-J. Lübken, High-resolution observations of turbulence distributions across tropopause folds, J. Geophys. Res., 126(6), e2020JD033857, doi:10.1029/2020JD033857, 2021.
  • J. Söder, M. Gerding, A. Schneider, A. Dörnbrack, H. Wilms, J. Wagner und F.-J. Lübken, Evaluation of wake influence on high-resolution balloon-sonde measurements, Atmos. Meas. Tech., 12, 4191-4210, doi:10.5194/amt-12-4191-2019, 2019.

Ansprechpartner

Forschungsschwerpunkte

Schemazeichnung

Funktionsweise des CTA-Sensors