Institutsbericht 2010/2011 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

eindeutig für geladene MSP spricht. In-situ-Raketenmessungen, die während der Kampagne durchgeführt
wurden, stützen dieses Resultat (siehe auch Kap. 29).
Ein weiteres Aerosol in diesen Höhen sind
Eisteilchen, deren Bildung durch die extrem kalten
Temperaturen in der sommerlichen Mesopausenregion
möglich ist. Diese gelten als Ursache
für starke Radarechos, den polaren mesosphärischen
Sommerechos (PMSE). Sie treten in polaren
Breiten in Höhen von 80 – 92 km von Mitte
Abb. 32.3: Die statistische Verteilung von Λ aus Mai bis Ende August auf und können in einem
26 h Messungen mit dem UHF-Radar, mit PMSE- Frequenzbereich von ∼ 2 MHz bis ∼ 1 GHz beobachtet
werden. Die Theorie besagt, dass zur De-
Signal im VHF. Das Auftreten unphysikalischer negativer
Werte deutet auf die Fehlerbreite der Λ- tektierung von PMSE ausreichend hohe Elektronendichten,
erhöhte Turbulenzstärke und größere
Bestimmung hin, die bei etwa ± 0,3 liegt.
Eisteilchen notwendig sind. Allerdings sind die PMSE schwächer je höher die Radarfrequenz ist,
d. h. , dass diese Frequenzbereiche sensitiver auf Änderungen der vorher genannten Parameter
sind. Als typisch für PMSE-Umgebungen gelten Einbrüche in der Elektronenkonzentration, sogenannte
„Bite-outs“. Diese entstehen durch die Anlagerung von Elektronen an Eisteilchen in der
Mesosphäre. In der theoretischen Beschreibung von PMSE spielt das Verhältnis (Λ) zwischen der
Ladungsdichte der Eisteilchen und der freien Elektronendichte eine bedeutende Rolle und muss
daher quantifiziert werden. In den wenigen verfügbaren Raketenmessungen zeigt sich, dass Λ in
der Regel viel kleiner als 1 ist. Um dies zu verifizieren, kann Λ über Messungen mit dem EISCAT-
UHF-Radar bestimmt werden. Dafür wurden UHF-Daten, die zur gleichen Zeit PMSE in dem
VHF-Signal zeigten, ausgewertet. In Abb. 32.2 sind drei Fälle von EISCAT-Messungen mit diesen
Rückstreuungen gezeigt. Die Volumenreflektivität (grün) zeigt das Auftreten von PMSE im VHF
und das blaue Höhenprofil die Elektronendichte, die aus der Auswertung des UHF-Signals abgeleitet
wird. Im oberen Fall ist ein Einbruch der Elektronenkonzentration zu erkennen, im mittleren
eine schwache und im unteren gar keine Veränderung.
Aus insgesamt 26 Stunden Messungen mit UHF bei gleichzeitigem
PMSE-Signal im VHF wurde die Größe Λ statistisch
ausgewertet. Im Ergebnis (Abb. 32.3) ist Λ in mehr als 95 %
der Fälle kleiner als 0,5. Dieses Ergebnis und der Vergleich mit
den Raketenmessungen deuten darauf hin, dass die Ladungsdichte
der Eisteilchen wesentlich kleiner ist, als die Elektronenkonzentration
während der Detektierung von PMSE.
Ein Vergleich von VHF- und UHF-Daten kann auch genutzt
werden, um etwas über die zugrunde liegenden physikalischen
Prozesse bei der Rückstreuung der PMSE zu lernen.
Da vermutet wird, dass die spektrale Breite des PMSE-
Signals von durch Neutralgasturbulenz erzeugten Geschwindigkeitsfluktuationen
im Elektronengas bestimmt wird, sollte
sie unabhängig von der Wellenlänge des Radars sein. Ohne
PMSE wiederum ist die spektrale Breite proportional zur
Abb. 32.4: Spektrale Halbwertsbreite
aus gleichzeitigen Messungen
mit VHF- und UHF-Radar.
Bragg-Wellenzahl und abhängig von 1.) der Temperatur des Neutralgases, 2.) der Stoßfrequenz
zwischen Ionen und neutralen Teilchen sowie 3.) der Ionenmasse. Deswegen ist es möglich, aus
dem Vergleich der spektralen Breiten, die bei unterschiedlichen Radarfrequenzen gemessen wurden,
mehr über die Eigenschaften der PMSE zu lernen.
Dafür wurden 380 min Messungen mit PMSE, die gleichzeitig vom EISCAT-VHF- und EISCAT-
UHF-Radar im Juli 2004 und 2005 gemacht wurden, ausgewertet. Da in den unterschiedlichen
Messfrequenzen gleiche Breiten bestimmt werden konnten, zeigt sich eindeutig, dass die Rückstreuung
bei beiden Wellenlängen vom selben physikalischen Prozess, also wahrscheinlich Neutralgasturbulenz,
verursacht wird (siehe Abb. 32.4).
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