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

30 Kleinskalige Strukturen in Meteorstaub, Elektronen und Ionen
während der ECOMA-Geminiden-Kampagne 2010
(B. Strelnikov, A. Szewczyk, H. Asmus, H.-J. Heckl, M. Rapp)
Das in Kap. 29 beschriebene ECOMA-Projekt beschäftigt sich vorrangig mit der Vermessung
von Eigenschaften sogenannter Meteorstaubpartikel (MSP). Während der dafür durchgeführten
Höhenforschungsraketenflüge wurden neben Messungen von geladenen MSP auch hochaufgelöste
Messungen von Neutralgasparametern und positiven Ionen vorgenommen. Diese Kombination von
Messungen ermöglicht die Ableitung der Schmidtzahl, welche das Verhältnis der kinematischen
Viskosität zum Diffusionskoeffizienten von geladenen MSP und positiven Ionen ist, und damit
auch die Kopplung eines Tracers an die Neutralgasdynamik beschreibt.
Abb. 30.1: Relative Dichtefluktuationen und dazugehörende
Leistungsdichtespektren für Neutralgas
(oben), positive Ionen (Mitte) und MSP (unten), die
während der ECOMA-Kampagne im Jahr 2010 gemessen
wurden.
Zur Messung von Neutralgasparametern
setzt das IAP ein Ionisationsmanometer, den
CONE-Sensor (CONE = „Combined measurement
of Neutrals and Electrons“), ein, mit dem
die Neutralgasdichte mit sehr hoher räumlicher
Auflösung bestimmt wird. Die hochaufgelösten
Messungen von positiven Ionen sind gemeinsam
mit Kollegen vom FFI in Oslo (Norwegen) und
der Technischen Universität Graz (Österreich)
durch Anwendung einer elektrostatischen Sonde
aufgenommen worden.
In einem ersten Schritt lässt sich aus der
Spektralanalyse kleinskaliger Dichtefluktuationen
die turbulente Energiedissipationsrate ableiten.
Die Ergebnisse von Turbulenzmessungen,
die während des letzten ECOMA-Fluges
am 19. Dezember 2010 gemacht wurden, sind
in Kap. 31 dargestellt. Mit den vorliegenden gemessenen
Werten der turbulenten Energiedissipationsrate
ist es möglich, aus der Spektralanalyse
kleinskaliger Dichtefluktuationen geladener
Teilchen die Schmidtzahl, also das Verhältnis
der kinematischen Viskosität zum Elektronendiffusionskoeffizienten,
zu bestimmen.
Abb. 30.1 zeigt die während des Raketenfluges
am 19. Dezember 2010 gemessenen relativen
Dichtefluktuationen (‚residuals‘) als Funktion
der Flugzeit (bzw. Höhe) sowie das dazugehörende
Leistungsdichtespektrum von Neutralgas,
positiven Ionen und geladenen MSP. Die
Abbildung zeigt, dass während dieses Fluges
auffällige Fluktuationen in allen Spezies beobachtet
wurden. Dabei ist zu beachten, dass die
Neutralgasdichtemessungen auf dem absteigenden
Ast der Raketenflugbahn vorgenommen,
wohingegen die Messungen der geladenen Spezies,
also der MSP und positiven Ionen, während
des Aufstiegs aufgenommen wurden.
Deutlich treten in diesen Spektren die Fluktuationen
mit großen Amplituden bei hohen
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