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

15 Lidar-Windmessungen über ALOMAR
(J. Hildebrand, G. Baumgarten, J. Fiedler, B. Kaifler, F.-J. Lübken, G. von Cossart)
Wind- und Temperaturmessungen sind für das Verständnis dynamischer und thermischer Prozesse
in der mittleren Atmosphäre besonders wichtig. Ein weiter Teil dieses Höhenbereiches ist jedoch
messtechnisch nur schwer zugänglich. Das Fehlen elektrischer Ladungen zwischen etwa 30 und
70 km Höhe verhindert Radarmessungen, die ansonsten kontinuierliche Beobachtungen zulassen.
Satelliten können diesen Höhenbereich nicht komplett erfassen. Ballons steigen nur bis etwa 40 km
Höhe und erlauben, genauso wie Raketen, nur sporadische Messungen. Das ALOMAR RMR-Lidar
ermöglicht Temperatur-, Aerosol- und Windmessungen in Höhen zwischen etwa 15 und 90 km und
schließt damit diese Lücke.
Das Prinzip der Windmessungen beruht auf der Dopplerverschiebung, die das an Luftteilchen
rückgestreute Licht erfährt, wenn sich diese aufgrund des Hintergrundwindes bewegen. Das Lidar
nutzt zwei schwenkbare Teleskope, um zwei Windkomponenten gleichzeitig messen zu können.
Für eine Messung am 25. Januar 2009 wurden
beide Teleskope in entgegengesetzte
Himmelsrichtungen ausgerichtet, um mit
beiden Systemen unabhängig voneinander
den Zonalwind zu bestimmen. Abb. 15.1
zeigt die dabei bestimmten Vertikalprofile
des Zonalwindes und zum Vergleich ein
Profil aus ECMWF-Daten. Das Süd-Ost-
Teleskop (SET) wurde unter Nutzung einer
unmittelbar vorher stattgefundenen Messung
der Vertikalwindgeschwindigkeit kalibriert
(für ausreichend lange Integrationszeiten
ist der Vertikalwind nahezu null),
für das Nord-West-Teleskop (NWT) wurde
die Kalibration mit einer Labormessung
vorgenommen. Der Vergleich der beiden Lidarprofile
ist sehr gut: Zwischen 35 und
50 km Höhe und oberhalb von 60 km sind
die Windgeschwindigkeiten innerhalb der
Altitude (km)
90
80
70
60
50
40
30
25. 01. 2009 3:25–7:15
SET
ECMWF
NWT
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60
Zonal wind speed (m/s)
Abb. 15.1: Vertikalprofile der Zonalwindgeschwindigkeit
für den Morgen des 25. Januar 2009, gemessen mit
dem Nord-West-Teleskop (NWT, 5 rote Fehlerbalken) und
dem Süd-Ost-Teleskop (SET, blaue Fehlerbalken). Die
grüne Kurve zeigt ein Windprofil aus ECMWF-Daten.
Fehlerbalken gleich. Für den Höhenbereich 50 – 60 km kann ausgeschlossen werden, dass der Unterschied
instrumentell bedingt ist. In dieser Höhe sind die Messvolumina der beiden Teleskope etwa
40 km voneinander entfernt. Denkbar ist also eine Inhomogenität des Windfeldes, etwa aufgrund
einer atmosphärischen Welle mit einer horizontalen Wellenlänge im Bereich einiger 10 km. Dass
die von beiden Systemen voneinander unabhängig gemessenen Windprofile so gut übereinstimmen,
belegt die Fähigkeit des ALOMAR RMR-Lidars, über einen weiten Höhenbereich der mittleren
Atmosphäre absolute Windgeschwindigkeiten messen zu können.
Unter Nutzung weiterer Instrumente, die auf der ALOMAR-Forschungsstation betrieben werden,
kann der Höhenbereich für Windmessungen nach oben erweitert werden. Das IAP betreibt in
unmittelbarer Nähe des ALOMAR-Observatoriums mehrere Radarinstrumente (s. Kap. 17), u. a.
ein Meteorradar, das zwischen etwa 75 und 95 km Höhe Windgeschwindigkeiten messen kann. Da
das Sichtfeld des Radars sehr viel größer ist als das des Lidars, ist es für vergleichende Messungen
aber nicht die erste Wahl. Mit einem Natriumresonanzlidar messen US-amerikanische und norwegische
Kollegen im Bereich der Natriumschicht in einer Höhe von 80 bis 110 km die Natriumdichte,
Temperatur und Windgeschwindigkeit. Das Na-Lidar nutzt die gleichen Empfangsteleskope wie
das RMR-Lidar. Obwohl das Sichtfeld des Na-Lidars etwas größer ist als das des RMR-Lidars und
leicht gegen dieses verkippt ist, können beide Messvolumina als etwa gleich betrachtet werden.
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