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

25 Trends und Variabilität des mesosphärischen Windfeldes mit
der solaren Variabilität
(W. Singer, P. Hoffmann, G. Kishore Kumar)
Windmessungen mittels MF- und Meteorradaren in arktischen (Andenes/Kiruna, 69 ◦ N) und mittleren
Breiten (Juliusruh, 55 ◦ N) in den Jahren 1999 bis 2010, die einen vollen solaren Aktivitätszyklus
umfassen, sind eine zuverlässige Datenbasis zur Untersuchung von Trends und einer durch
die solare Aktivität bedingten möglichen Variabilität des Windfeldes in Höhen zwischen 70 km
und 95 km (siehe auch Kap. 17). Die jahreszeitliche Variation des mittleren Zonalwindes im Zeitraum
1999 – 2010 ist im Sommer durch einen starken westwärts gerichteten Strahlstrom unterhalb
von etwa 85 km und einen ostwärts gerichteten Strahlstrom darüber charakterisiert. Das Windfeld
unterliegt im Winter einer starken Variabilität, hervorgerufen durch planetare Wellen und damit
verbundenen stratosphärischen Erwärmungen. In Höhen oberhalb von 88 km ist im Sommer 2000
bzw. 2003 eine durch die solare Aktivität bedingte Windvariation mit größeren Windgeschwindigkeiten
bei erhöhter Sonnenaktivität verbunden (Abb. 25.1a und 25.1b).
Abb. 25.1: a) Jahreszeitliche Variation des Zonalwindes in 88 km in Andenes (69 ◦ N, durchgezogene Kurven)
für typische Jahre erhöhter und niedriger solarer Aktivität und in Juliusruh (55 ◦ N, gestrichelte Kurven)
für 2000 (solares Aktivitätsmaximum) und 2008 (solares Aktivitätsminimum). Dargestellt ist der
mittlere Zonalwind auf der Grundlage 10-tägiger harmonischer Analysen. b) Variation der solaren Lymanα-Strahlung
(Ly α ) zwischen 1999 und 2010 (Monatsmittelwerte, Einheiten: ph · cm −2 s −1 ).
Der Einfluss der solaren Aktivität auf das Windfeld und Trends im Windfeld wurden mit Hilfe
der robusten Regressionsanalyse nach der zweifachen Regressionsgleichung u = a + b · Ly α + c · Jahr
getrennt für die zonalen und meridionalen mittleren Winde und die Gezeitenkomponenten durchgeführt.
Die signifikantesten partiellen Regressionskoeffizienten wurden für den mittleren Zonalwind
im Sommer erhalten. Signifikante, mit der Sonnenaktivität zunehmende, ostwärts gerichtete Winde
wurden zwischen 88 km und 94 km mit Windzunahmen von 4 – 5 m/s pro Ly α -Flusseinheit gefunden
(linkes Bild in Abb. 25.2). Die Windänderungen in Abhängigkeit vom Ly α -Fluss zeigt das rechte
Bild in Abb. 25.2. Dieser erste Hinweis auf eine durch die solare Aktivität bedingte Variation des
mesosphärischen Windfeldes erfordert jedoch längere Zeitreihen zur Bestätigung. Ein signifikanter,
gering negativer Trend wurde nur in 82 km mit Werten um – 1 m/s pro Jahr gefunden, ein Wert,
der mit Analysen von MF-Radarbeobachtungen in Juliusruh übereinstimmt.
Neben der moderaten Variation der solaren Wellen- und Teilchenstrahlung im Verlaufe eines
solaren Aktivitätszyklus fallen während solarer Protonenevents (SPEs) extrem starke Flüsse energetischer
Protonen in die Mesosphäre und Stratosphäre ein. Sie bewirken die bekannten extremen
Erhöhungen der Ionisation bis in Höhen von 50 km und darunter. Messungen hierdurch bedingter
Änderungen des dynamischen Zustandes der Atmosphäre sind dagegen sehr selten. Die Wechselwirkung
der Protonen mit Luftmolekülen und Spurengasen bewirkt die Produktion von HO x -
und NO x -Teilchen, die eine katalytische Zerstörung von Ozon bewirken und eine Abkühlung der
Mesosphäre unterhalb von etwa 80 km infolge verringerter Ozon-Heizung hervorrufen.
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