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

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2 Anwendung von Radaren zur Untersuchung dynamischer
Prozesse in der mittleren Atmosphäre
(P. Hoffmann, M. Rapp, E. Becker, R. Latteck, V. Matthias, M. Placke, W. Singer, G. Stober,
M. Zecha, D. Keuer)
Zu den Kernaufgaben der Radarfernerkundung der mittleren Atmosphäre gehört die Quantifizierung
grundlegender dynamischer Eigenschaften, insbesondere der Winde sowie ihrer Variabilität
auf allen erfassbaren räumlichen und zeitlichen Skalen (planetare Wellen, Gezeiten, Schwerewellen).
Dies ist entscheidend für ein Gesamtverständnis der mittleren Atmosphäre, da die Zirkulation in
diesem Höhenbereich, der als der empfindlichste Teil der gesamten Atmosphäre für Klimaänderungen
angesehen werden kann, wesentlich durch atmosphärische Wellen unterschiedlicher Perioden
beeinflusst wird. Infolge der abnehmenden Luftdichte zeigen aufwärts propagierende Wellen in
diesen Höhen exponentiell anwachsende Amplituden, bis sie dann brechen und zur Änderung des
Grundstroms und sowohl direkt als auch indirekt zu deutlichen Änderungen der Temperaturen
führen. Beispiele dafür sind Temperaturen von ca. 130 K in der polaren Mesopausenregion mit
Abweichungen von mehr als 80 K von der Strahlungsgleichgewichtstemperatur sowie Trends in der
mesosphärischen Sommertemperatur, die mehr als eine Größenordnung größer sind als die entsprechenden
Änderungen in der Troposphäre. Andererseits beeinflusst der mittlere Wind selbst auch
wieder die vertikalen Ausbreitungsbedingungen der Wellen durch Filterung an kritischen Schichten,
bei denen die Phasengeschwindigkeit der Wellen dem Hintergrundwind entspricht. Ein Ziel
der Anwendung von Radarverfahren zur Untersuchung dynamischer Prozesse liegt im Verständnis
der Prozesse bei der Anregung, Ausbreitung und Dissipation von Wellen verschiedener Skalen. In
diesem Beitrag werden dazu exemplarisch einige Ergebnisse gezeigt. Eine Übersicht über die auf
unterschiedlichen Frequenzen arbeitenden Radar-Systeme des IAP wird im Kap. 17 gegeben. Wichtige
Vorteile dieser Geräte sind zum einen der wetterunabhängige Messbetrieb und zum anderen
die hohe zeitliche und vertikale Auflösung im Vergleich zu gegenwärtig verfügbaren Satellitenmessungen.
Da einige dieser Radar-Systeme bereits seit mehr als 10 Jahren betrieben werden, sind
die entsprechenden Daten auch zur Untersuchung langfristiger Veränderungen in der mittleren
Atmosphäre, einem weiteren wissenschaftlichen Schwerpunkt des IAP, geeignet.
2.1 Winde und langperiodische Wellen in hohen und mittleren Breiten
altitude (km)
95
90
85
80
75
70
MF and Meteor radar Andenes (69°N, 16°E)
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50 100 150 200 250 300 350
daynumber 2009
MF and Meteor radar Juliusruh (54°N, 13°E)
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50 100 150 200 250 300 350
daynumber 2009
40 E
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50 W
Abb. 2.1: Zonalwind im Jahr 2009 aus Messungen mit dem MF-
Radar (70 – 82 km) und Meteorradar (82 – 95 km); links für Andenes,
rechts für Juliusruh.
Die kontinuierliche Bestimmung
mittlerer Winde und der aus ihren
Fluktuationen abgeleiteten Wellen
basiert auf der Anwendung
von zwei unterschiedlichen Radarverfahren.
Bei den MF-Radaren
werden Radiowellen auf Frequenzen
zwischen 2 und 3 MHz ganzjährig
in Höhen zwischen ∼ 60 km
und 95 km partiell an Störungen
des Brechungsindexes reflektiert.
In diesen Höhen ist der Brechungsindex
durch den ionisierten Teil der Luft (freie Elektronen) bestimmt, wobei die Ionisation
im Wesentlichen durch solare Wellen- und Teilchenstrahlung erfolgt. Die mit dem Wind mitgeführten
Brechungsindexvariationen bewirken eine Dopplerverschiebung des Radarsignals, die seit
langem zur Bestimmung des Windes vom Boden aus genutzt wird. Messungen mit diesem Verfahren
liegen in Juliusruh seit 1990 und in Andenes seit 1999 vor. Radiowellen im unteren VHF-Bereich
(30 – 50 MHz) werden weiterhin an Meteorspuren reflektiert. Die Mehrzahl der in die Erdatmosphäre
einfallenden Meteoroide verglüht in Höhen zwischen etwa 75 km und 120 km und erzeugt
dabei eine Ionisationsspur. Radarbeobachtungen der vom Wind transportierten Ionisationsspur
-60
zonal wind (m/s)
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