LEIBNIZ-INsTITUT FöUR ATMOsPHöARENPHYsIK e. V. an der ...

8 Klimatologien der mesosphärischen Ca- und K-Metallschichten
(M. Gerding, M. Alpers, V. Eska, U. von Zahn)
In den Jahren 1996 bis 1999 wurden mittels Lidar-Sondierungen am Standort IAP Kühlungsborn
erstmalig vollständige Jahresgänge der absoluten Dichten von Calcium- und Kalium-
Atomen im Höhenbereich 80-105 km gemessen (Abb. 8.1). Die Lidarinstrumente in Kühlungsborn
sind in Kap. 2 beschrieben. Die Jahresgänge sind im Vergleich mit den Eisen-Dichten (am
selben Standort) und Natrium-Dichten (bei 41 ◦ N) dargestellt. Alle vier Metalle zeigen deutlich
unterschiedliche Variationen im Jahresgang. Beispielsweise wird im Sommer bei Calcium
und Kalium ein Dichtemaximum beobachtet, während die Eisen- und Natriumdichten zu dieser
Jahreszeit besonders niedrig sind.
Abb. 8.1 Dreidimensionale Darstellung der Jahresgänge der mesosphärischen
Ca-, Fe-, K- und Na-Metallschichten. Die Ca-, Fe und
K-Jahresgänge wurden am IAP bei 54 ◦ N, der Na-Jahresgang von She
and Lowe (1998) bei 41 ◦ N gemessen.
Auffallend ist die im
Vergleich zu den anderen
Metallen deutlich höhere
Variabilität der Ca-
Dichte innerhalb weniger
Tage. Abb. 8.2 zeigt
drei aus vier aufeinanderfolgenden
Nächten
im Juli 1997. Die Ca-
Dichte im Schichtmaximum
variierte in diesen
Nächten von ca. 15 cm -3
am 6./7. Juli über ca.
200 cm -3 am 8./9. Juli
auf ca. 25 cm -3 am 9./10.
Juli. Am 6./7. Juli wurde
von einer leuchtende
Nachtwolke (engl. Noctilucent
Cloud = NLC)
bei ca. 83 km Höhe
ein zusätzliches Rückstreusignal
durch Miestreuung
an den NLC-
Eisteilchen detektiert.
Abb. 8.3 zeigt das Reaktionsschema des eindimensionalen, zeitunabhängigen Calcium-
Modells. Neben den mit den Lidars beobachteten Ca-Atomen und -Ionen gibt es eine Reihe
von Ca-Molekülen, von denen besonders CaCO3 und Ca(OH)2 in Höhen unter 85 km als Senken
wichtig sind. In Abb. 8.4 ist der Vergleich der Beobachtungsdaten mit dem Chemie-Modell im
Jahresmittel dargestellt. Man erkennt, dass bei Kalium in einem breiten Höhenbereich zwischen
86 und 97 km der atomare Zustand dominant ist. Bei Calcium gibt es dagegen - wenn überhaupt
- nur einen sehr schmalen Höhenbereich von weniger als 1 km bei ca. 90 km Höhe, wo der atomare
Zustand dominiert. Darüber existieren die meisten Ca-Atome nur in ionisierter Form (Ca + ),
darunter dominiert das CaCO3. Dies ist auch die Erklärung für die starke Variabilität der atomaren
Ca-Schicht. Nur leichte Mengenänderungen der Reaktionspartner oder Änderungen der
reaktionsrelevanten Atmosphärenparameter können bereits zu einer starken Verschiebung der
chemischen Gleichgewichtsverteilungen der einzelnen Ca-Konstituenten führen und damit die
Dichte der atomaren Ca-Schicht dramatisch ändern.