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

turbulenten Schichten im Temperaturfeld. Eine Analyse der Schichtdicken im stratosphärischen
Windfeld des BEXUS-8-Fluges ergibt eine mittlere Dicke von unter 40 m und eine maximale Dicke
von mehr als 200 m. Dagegen sind die turbulenten Schichten im Temperaturfeld im Mittel nur gut
20 m und maximal weniger als 150 m dick.
Abb. 16.2: Spektrale Leistungsdichte der Wind- und Temperaturfluktuationen
(blau bzw. rot) für die Höhenbereiche aus
Abb. 16.1. An die Daten wurde jeweils eine Funktion angepasst,
die sowohl den −5/3- als auch den −7-Gradienten beschreibt.
Der Übergangsbereich l 0 ist mit senkrechten Linien
markiert. Die Leistungsdichten der Windfluktuationen sind
mit 100 multipliziert.
Die Energiedissipationsrate ɛ beschreibt
die Stärke der Turbulenz
und kann aus den räumlichen Skalen
der Fluktuationen berechnet werden.
Je stärker die Turbulenz, desto
kleiner werden die gebildeten Strukturen.
In Abb. 16.2 ist das Spektrum
für einen Abschnitt der BEXUS-
8-Windfluktuationen gezeigt (blau).
Ein Teilbereich der Turbulenz wird
auch als Trägheitsunterbereich bezeichnet
und zeigt eine charakteristische
Leistungsdichte-Abnahme mit einer
Potenz von −5/3. Zu kleineren
Skalen schließt sich der viskose Unterbereich
an (Abnahme mit Potenz
von −7), bevor das Spektrum in diesem
Fall bei räumlichen Skalen von
weniger als ca. 2 cm Größe in Rauschen
übergeht. Der Übergang zwischen
Trägheitsunterbereich und viskosem Unterbereich wird als innere Skala l 0 der Turbulenz
bezeichnet und ist ein direktes Maß für die Energiedissipationsrate. In Abb. 16.2 wurde eine Funktion
an die Messdaten angepasst, die beide Unterbereiche gleichermaßen beschreibt (hellblau).
Aus der Funktion ergibt sich eine innere Skala l 0 = 3,4 cm und daraus eine Energiedissipationsrate
ɛ = 3 mW. Dieser Wert ist zunächst unerwartet hoch, jedoch zumindest für diesen Flug nicht
ungewöhnlich. Weitere Flüge werden zeigen, wie repräsentativ die einzelnen Profile sind. In der
gleichen Abbildung ist auch das Spektrum der Temperaturfluktuationen gezeigt (rot). Hier ergibt
sich eine innere Skala l 0 = 1,9 cm.
Im September 2011 wurde LITOS erneut als
Teil einer BEXUS-Nutzlast gestartet. Auf Grundlage
der Ergebnisse von BEXUS 8 wurden wiederum
Wind- und Temperatursensoren kombiniert.
Darüber hinaus wurden mehrere Sensoren auf die
Ecken der Nutzlast verteilt (siehe Abb. 16.3), um
zum einen räumliche Unterschiede in der Turbulenz
und zum anderen den möglichen Einfluss der
Gondelbefestigung untersuchen zu können. Ein
spezieller 3d-Wolframdraht soll die Annahme isotroper
Turbulenz verifizieren. Insgesamt wurden
acht verschiedene Turbulenzsensoren sowie diverse
Hilfsinstrumente (u. a. zur Überwachung der Gondelbewegung
und der Anströmungsrichtung) in die
Nutzlast integriert. Alle Sensoren haben die kritische
Startphase überstanden und während des gesamten
Fluges Daten gesammelt. Zurzeit läuft die
Analyse dieses umfangreichen Datensatzes. In Zukunft
sollen u. a. die kleinen Nutzlasten optimiert
werden, um z. B. regelmäßige Sondierungen von Kühlungsborn aus zu ermöglichen.
Abb. 16.3: Nutzlast von BEXUS 12 am 27. September
2011 in Kiruna mit den Auslegern für
die Turbulenzsensoren für Wind und Temperatur.
Die Windfahne dient zur Bestimmung der Ausrichtung
der Gondel relativ zur Luftströmung.
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