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

16 Ballongetragene Turbulenzmessungen in der Stratosphäre mit
LITOS
(M. Gerding, A. Theuerkauf, A. Schneider, F.-J. Lübken)
Turbulenz erwartet man in der Atmosphäre zunächst vor allem in der Troposphäre und in der
Mesosphäre, da hier die mit der Höhe abnehmende Temperatur das Brechen von Schwerewellen
begünstigt. Aber auch in der meist stabil geschichteten Stratosphäre wird Wellenenergie dissipiert,
wie u. a. aus Lidarmessungen von Schwerewellen bekannt ist. Diese Energie kann dann nicht bis
in die Mesosphäre transportiert werden. Neben der Beeinflussung der mesosphärischen Energiebilanz
spielt die Wellenbrechung auch beim Spurengastransport eine wichtige Rolle. Beim Brechen
von Wellen entstehen immer kleinere Strukturen im Windfeld, bis die Wellenenergie auf kleinsten
räumlichen Skalen aufgrund der Viskosität der Luft in Wärme umgewandelt wird. Die kleinsten
räumlichen Strukturen der Turbulenz in der Stratosphäre sind meist nur wenige Zentimeter groß.
Zurzeit können nur In-situ-Messungen solche Skalen auflösen. Am IAP wurde dazu in den vergangenen
Jahren die Nutzlast LITOS (Leibniz-Institute Turbulence Observations in the Stratosphere)
entwickelt, die mit Ballons bis in die Stratosphäre aufsteigen kann und erstmals das gesamte Turbulenzspektrum
in Wind- aber auch in Temperaturdaten erfasst. Die kleinskaligen Strukturen in der
Temperatur sind eine Folge der kleinräumigen Luftbewegung. Die Untersuchung von Turbulenz in
beiden Größen dient dem besseren Verständnis der Turbulenz und ihrer Quelle insgesamt, da z. B.
einzelne Modelle zur Brechung von Schwerewellen auch Unterschiede in den turbulenten Strukturen
im Wind- und Temperaturfeld vorhersagen. Neben Messungen in Kühlungsborn fanden in den
letzten Jahren drei Sondierungen in Kiruna/Schweden im Rahmen des sog. BEXUS-Projekts statt.
Die größeren BEXUS-Nutzlasten ermöglichen die gleichzeitige Messung der Turbulenz im Windund
im Temperaturfeld mit verschiedenen LITOS-Konfigurationen, während über Kühlungsborn
aus Gewichtsgründen immer nur ein Experiment geflogen werden kann.
Abb. 16.1: Rohdaten von Wind- und Temperatursensor nach
Abzug des Mittelwertes in 19,25 – 19,43 km Höhe (BEXUS 8,
10. Oktober 2009). Man erkennt einen turbulenten Bereich zwischen
ca. 19,3 und 19,4 km Höhe. Die schwarzen Markierungen
kennzeichnen die in Abb. 16.2 verwendeten Abschnitte.
Das LITOS-Messprinzip für Temperatur
und Wind basiert jeweils auf
einem nur wenige Mikrometer dünnen
und von der Atmosphäre umströmten
Wolframdraht, dessen elektrischer Widerstand
gemessen (Temperatur) bzw.
konstant gehalten wird (Wind). Der
sehr dünne und damit praktisch trägheitsfreie
Draht ermöglicht Abtastraten
von mehreren Kilohertz und damit,
bei ca. 5 m/s Aufstiegsgeschwindigkeit,
eine Höhenauflösung von etwa
einem Millimeter. LITOS ist damit
das einzige Instrument weltweit, das
auch die feinsten turbulenten Strukturen
in der Stratosphäre vollständig
auflösen kann. In Abb. 16.1 sind
die gemessenen Spannungswerte über
ein Höhenintervall von 180 m (19,25 –
19,43 km Höhe) aus dem BEXUS-8-
Flug am 10. Oktober 2009 dargestellt. Man erkennt bis 19,3 km Höhe ein weitgehend konstantes
Messsignal, das nur aufgrund des Eigenrauschens des Messsystems variiert. Darüber steigen die
Spannungsfluktuationen stark an. Im oberen Bereich des dargestellten Intervalls ist dann wieder
nur das Eigenrauschen zu erkennen. Außerdem fällt auf, dass der Bereich großer Fluktuationen im
Temperaturfeld stärker strukturiert und insgesamt schmaler als im Windfeld ist.
Die geringere vertikale Ausdehnung ist zunächst unerwartet, aber eine generelle Eigenschaft der
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