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

Frequenzen durch erhöhte Werte der spektralen Leistungsdichte hervor. Die starken Neutralgasdichtefluktuationen
wurden im Höhenbereich zwischen ∼67 – 93 km gemessen, während die kleinskaligeren
Strukturen in den geladenen Spezies von 82 – 99 km Höhe beobachtet wurden, obwohl nur
im Höhenbereich zwischen ∼86 – 89 km sehr starke Fluktuationen bei noch kleineren räumlichen
Skalen gemessen wurden.
Abb. 30.2: Zweidimensionale Spektren, die sogenannten Global-Wavelet-Spektren, die aus den höhenaufgelösten
Spektren von Abb. 30.1 bei ca. 87 km Höhe herausgenommen wurden.
Zur quantitativen Analyse wurden in einem ersten Schritt die Spektren von Neutralgasdichtefluktuationen
mit theoretischen Spektren aus der Turbulenztheorie verglichen, woraus schlussendlich
turbulente Energiedissipationsraten abgeleitet wurden.
Abb. 30.2 zeigt zweidimensionale Leistungsdichtespektren, die aus den zuvor gezeigten in Höhe
(oder Flugzeit) bzw. Frequenz (oder räumliche Skala) aufgelösten Spektren herausgenommen wurden.
Das linke Spektrum zeigt die spektrale Leistungsdichte von Neutralgasdichtefluktuationen (in
schwarz) sowie das dazugehörende theoretische Modell (in blau). Die spektrale Leistungsdichte der
gemessenen kleinskaligen Strukturen ändert sich in diesem Fall von großen zu kleinen Skalen um 6
Größenordnungen und ist von 1 km bis zu 20 m (50 Hz in Raketendomäne) zu sehen. Der Vergleich
von Beobachtung und Theorie ergibt hier eine turbulente Dissipationsrate von 56 mW/kg.
Abb. 30.3: Ergebnisse von Schmidtzahlmessungen
während der ECOMA-Kampagne im
Jahr 2010.
In einem zweiten Schritt wurden die Spektren
von Dichtefluktuationen geladener Spezies mit theoretischen
Spektren, bei denen die Schmidtzahl der
einzige verbleibende freie Parameter ist, verglichen.
Daraus wird schlussendlich die Schmidtzahl abgeleitet.
Die zwei rechten Spektren in Abb. 30.2 zeigen
den Vergleich von Leistungsdichtespektren mit
dem entsprechenden Modell. Auch hier ändert sich
die spektrale Leistungsdichte um 6 Größenordnungen
für die positiven Ionen bzw. die MSP, aber der
dazugehörige Bereich der räumlichen Skala erstreckt
sich nur bis zu 11 m bzw. 9 m. Dieses Analyseverfahren
liefert Schmidtzahlen Sc = 3 für positiv geladene
Ionen und Sc = 24 für geladene Meteorstaubteilchen.
Als Endergebnis zeigt die Abb. 30.3 die zwei Profile
der abgeleiteten Schmidtzahl für jeweils positive
Ionen und Meteorstaubteilchen. Man erkennt, dass
die Schmidtzahl nur in dem Höhenbereich größer als
Eins ist, in dem die stärksten Dichtefluktuationen in
den Plasmaspezies auftreten. Schmidtzahlen in diesem
Wertebereich werden durch MSP mit Radien im Bereich von 1 bis 2 nm erzeugt, was hervorragend
zu Erwartungen an die Partikelgrößen passt, die auf unserem derzeitigen mikrophysikalischen
Verständnis beruhen.
94