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 Aufstiegsgeschwindigkeit von 5 m/s eine vertikale Auflösung von unter einem Millimeter ergibt. Zur Erfassung der atmosphärischen Hintergrundparameter (Druck, Hintergrundtemperatur, Feuchte, Hintergrundwind per GPS) wird eine Radiosonde genutzt.

 

LITOS kann mit einer 5 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 linke Grafik zeigt ein Beispiel für gemessene Windfluktuationen des BEXUS 12-Fluges (großskalige Bewegungen wurden bereits abgezogen). Bereiche mit kleiner Amplitude (< 1 mV, z.B. zwischen 10,28 und 10,30 km) entsprechen dem instrumentellen Eigenrauschen, während größere Fluktuationen Turbulenz anzeigen. Für die Schicht von 10,27 bis 10,28 km ist in der rechten Graphik die spektrale Leistungsdichte (power spectral density, PSD) aufgetragen. 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)

  • 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

Dr. Michael Gerding

Forschungsschwerpunkte

Schemazeichnung

Schemazeichnung

Funktionsweise des CTA-Sensors