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

12 Eigenschaften von Eisteilchen in leuchtenden Nachtwolken
(G. Baumgarten, J. Fiedler, P. Hoffmann, N. Kaifler, F.-J. Lübken, G. von Cossart)
Abb. 12.1: NLC-Beobachtung über der Forschungsstation
ALOMAR durch das CIPS-
Kamerasystem auf einem amerikanischen
Forschungssatelliten. Während des Überflugs
konnte ein horizontal strukturiertes NLC-
Feld beobachtet werden. Die Wolkenbänder
haben einen Abstand von ca. 50 km. Anhand
der Radarbeobachtungen des Windes (grauer
Pfeil) wird eine Trajektorie der Wolkenpartikel
bestimmt (gestrichelte Kurve).
Die Kenntnis der Eigenschaften von Eisteilchen in
NLC ist aus verschiedenen Gründen wichtig. So bestimmt
die Größe und die Anzahl der Teilchen die
mit der Wolke transportierte Wassermenge. Andererseits
bestimmt die Teilchengröße auch die Fallgeschwindigkeit
der Eisteilchen, und damit die Zeit in
der die Eisteilchen wachsen können. Neben diesen für
die Wolkenphysik entscheidenden Effekten bestimmt
die Teilchengröße aber auch die optischen Eigenschaften
der Wolken. Dies machen sich Lidar- und Satelliteninstrumente
zunutze und vermessen so, durch
Beobachtung der Wolken mit verschiedenen Farben
bzw. unter verschiedenen Streuwinkeln, die Teilchengröße.
Da die Instrumente nicht nur ein einziges Teilchen
bzw. wenige zehn Teilchen, sondern mindestens
10 14 Partikel gleichzeitig beobachten, müssen noch Eigenschaften
des Ensembles von Teilchen berücksichtigt
werden. Hierzu gehört z. B. die Breite der Größenverteilung
innerhalb des Streuvolumens oder die
mittlere Form und Orientierung der Teilchen. Aufgrund
der großen Anzahl von Partikeln im Streuvolumen
bleibt neben einem Einfluss der Teilchenform
hauptsächlich ein Einfluss der Breite der Größenverteilung
übrig. Das ALOMAR RMR-Lidar ist weltweit
das einzige Instrument, welches die Breite der Größenverteilung
routinemäßig bestimmt. Daher werden
unsere Beobachtungen für die Analyse verschiedener
Instrumente verwendet, um die Bestimmung der Teilchengröße
durch diese zu verbessern. Erst wenn die
Eigenschaften der Eisteilchen richtig berücksichtigt
sind, ist es möglich, die Beobachtungen unterschiedlicher
Satelliteninstrumente zu kombinieren. Neu an
dieser Kombination von Lidar- und Satellitenmessungen
ist, dass sich die unterschiedlichen Messmethoden
ergänzen und somit Informationen über die räumliche
Struktur und zeitliche Entwicklung abgeleitet werden können. Bislang wurden Messreihen der
einzelnen Instrumente kombiniert, um die Konsistenz der Beobachtungen zu prüfen bzw. die Algorithmen
und Analysemethoden zu verbessern. Nachdem der Algorithmus zur Bestimmung der
Teilchengröße des CIPS (Cloud Imaging and Particle Size) Instruments an Bord des NASA AIM
(Aeronomy of Ice in the Mesosphere) Satelliten durch Informationen aus den Lidarbeobachtungen
verbessert wurde, konnten die unterschiedlichen Beobachtungen konsistent kombiniert werden. In
Abb. 12.1 ist eine Satellitenmessung über der Forschungsstation ALOMAR gezeigt. Hierbei interessiert
uns besonders die Frage, ob die Wellensignaturen durch die Advektion horizontaler Strukturen
oder durch schnelle Änderungen der Teilcheneigenschaften entstehen. Das CIPS Instrument wurde
zum Vergleich mit dem Lidar gewählt, da CIPS eine hohe räumliche Auflösung bei gleichzeitig
großem Sichtfeld hat. Ein Fall von gemeinsamen Lidar- und Satellitenmessungen einer starken NLC
wurde im Detail untersucht, um die Ausbreitung der Strukturen genauer zu verstehen (Abb. 12.2).
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