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

22 Beobachtungen mesosphärischer Eisteilchen mit ALWIN und
SOFIE
(R. Latteck, M. Rapp)
Die thermische Struktur der polaren Sommermesopausenregion bringt die seit langem bekannten
Phänomene der polaren mesosphärischen Sommerechos (PMSE) und der nachtleuchtenden Wolken
(NLC) hervor. Beide Phänomene, die mit verschiedenen Fernerkundungsmethoden beobachtet
werden, basieren auf Eisteilchen, die auf Grund der dort vorherrschenden sehr niedrigen Temperaturen
entstehen. Erreichen die Eisteilchen eine bestimmte Größe, streuen oder absorbieren sie
Licht, das vom Boden (NLC) oder Satelliten (PMC) aus direkt gemessen werden kann. Um mit
VHF-Radaren beobachtet werden zu können (PMSE), müssen diese Teilchen freie Ladungsträger
binden und zudem noch Strukturen bilden, die der Größe der halben Radarwellenlänge entsprechen.
Aus einer langen Reihe von Beobachtungen ist bekannt, dass PMSE im Vergleich zu PMC
oder NLC über einen weitaus größeren Höhenbereich existieren, wobei die optischen Beobachtungen
eher am unteren Rand der Radarbeobachtungen angesiedelt sind. Diese Eigenschaft wird mit
dem Anwachsen und Absinken der Eisteilchen erklärt, die somit während der gesamten Zeit ihrer
Existenz Strukturen bilden, die vom Radar erfasst werden, das Licht des Lidars aber erst ab dem
Erreichen einer bestimmten Größe zurückstreuen.
Abb. 22.1: ALWIN- und SOFIE-Beobachtungen
am 24. Juli 2008.
Eine direkte Überprüfung der Existenz von Eis
oberhalb des bekannten PMC-Höhenbereiches von
∼ 82 – 85 km konnte erstmalig mit dem Solar Occultation
For Ice Experiment (SOFIE) auf dem USamerikanischen
AIM-Satelliten durchgeführt werden.
Für eine Überprüfung dieser Ergebnisse wurden Messungen
des VHF-Radars ALWIN herangezogen, mit
dem auf der Insel Andøya in den Sommermonaten kontinuierliche
PMSE-Beobachtungen durchgeführt wurden.
Für den Vergleich wurden die mit 300 m Auflösung
gemessenen Profile der Volumenreflektivität
des ALWIN-Radars an das 1,5 km große Sichtfeld des
SOFIE-Instruments, welches um 70 m geschoben wird,
angepasst und die obere und untere Höhe sowie die Höhe
des Reflektivitätsmaximums der PMSE bestimmt.
Entsprechende Höhen wurden aus den Messungen der
Eismassendichte des SOFIE-Instruments abgeleitet.
Der Vergleich wurde mit Daten der Jahre 2007
und 2008 durchgeführt. Da die ALWIN-Profile mit
einer zeitlichen Auflösung von ∼5 Minuten vorliegen,
war die Abweichung zu den SOFIE-Messungen während
der Überflüge gering und es konnten insgesamt 60
gleichzeitige Messungen in einem nahezu identischen
Volumen verglichen werden. In Abb. 22.1 ist ein Beispiel
für eine solche Messung gezeigt. Wegen der großen tageszeitlichen Variabilität der PMSE,
die im oberen Teil der Abbildung dargestellt ist, und des ebenfalls großen SOFIE-Messvolumens
(1,6 km vertikal x 290 km entlang der Blickrichtung), wurden die Radarmessungen im Bereich um
±3 Stunden relativ zur SOFIE-Überflugszeit gemittelt. Der im unteren Teil von Abb. 22.1 gezeigte
Vergleich der Volumenreflektivität und der relativen Eismasse zeigt eine gute Übereinstimmung
zwischen dem ALWIN- und den drei dichtesten SOFIE-Profilen. Die Form des geglätteten Radarprofils
passt dabei am besten zum am dichtesten bestimmten SOFIE-Eismassen-Profil (durchgezogene
schwarze Linie) und weist auf die vorhandene vertikale Variabilität hin, die durch das
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