Institutsbericht 2002/2003 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

13 Form und Größe von Teilchen leuchtender Nachtwolken
(G. Baumgarten, G. von Cossart, U. Berger, J. Fiedler, S. Loßow, F.-J. Lübken, A. Schöch,
U. von Zahn)
Die Kenntnis der Form und Größe der Teilchen
leuchtender Nachtwolken (NLC) ist für die Interpretation
und Modellierung der NLC von Bedeutung,
da diese die Existenz und Helligkeit
sowie die Wachstums- und Fallgeschwindigkeit
der NLC-Teilchen bestimmen. Die letzten beiden
Parameter sind von entscheidender Bedeutung
für die mikrophysikalische Interpretation
der NLC.
Die Untersuchung der Form von NLC-
Teilchen mit einem Lidar funktioniert nach folgendem
Prinzip: Das Lidar sendet linear polarisiertes
Licht in die Atmosphäre. Wird bei
der Streuung an den NLC-Teilchen die Polarisationsebene
des rückgestreuten Lichts geändert,
d.h. tritt eine Depolarisation (δ) des Lichts auf,
können die Teilchen nicht kugelförmig sein. Da
Höhe [km]
90
88
86
84
82
80
01-08-2003 00:04 - 00:44
78
0 2 4 6 8 10
90
88
86
84
82
80
78
0 0.01 0.02 0.03 0.04
Volumenrückstreukoeffizient [1E-10/m/sr]
Abb. 13.1: Beobachtung der Depolarisation
durch NLC-Teilchen am 01. August 2003. Darstellung
der Rückstreukoeffizienten für 532 nm
des Gesamt- (links) und des depolarisierten Signals
(rechts).
NLC-Teilchen wesentlich kleiner als die Wellenlänge des ausgesendeten Lichts sind, was später
noch gezeigt wird, ist der Effekt der Depolarisation sehr klein und somit schwer nachweisbar.
Untersuchungen des Streuverhaltens von asphärischen Eis-Teilchen mit einer erweiterten Mie-
Theorie (T-Matrix Methode) haben gezeigt, dass bei Teilchen von der Größe der NLC-Teilchen,
selbst bei extrem asphärischen Zylindern mit einem Achsenverhältnis (Länge zu Durchmesser)
von 10 nur ca. 2 % des Lichts depolarisiert werden.
Mit dem ALOMAR RMR Lidar sind erstmals im Sommer
2000 Messungen der Depolarisation durchgeführt worden.
Durch diese Messungen konnte gezeigt werden, dass
die Teilchen nicht kugelförmig sein müssen. Die Messungen
der Depolarisation der Teilchen leuchtender Nachtwolken
stellt folgende Anforderungen an das Lidarsystem:
1. Einen hohen Polarisationsgrad des ausgesendeten Lichts
mit ∆ >99,6%. 2. Eine effiziente Analyse der Polarisation
mit einer Blockung größer 10 −4 . 3. Eine hohe Unterdrückung
des solaren Untergrundsignals. Die Depolarisationsmessung
selber verlangt eine gut ausgebildete stabile
NLC mit einer großen Rückstreuung/Helligkeit. Depolarisationsmessungen
werden seit dem Sommer 2000 regelmäßig
durchgeführt, jedoch erlaubten die NLC in den
Sommern 2001 und 2002 keine weiterführenden Studien,
da die Helligkeit der NLC aufgrund der hohen solaren
Aktivität sowie der gestörten Dynamik im Sommer
2002 geringer war (Kap. 12, Kap. 15). Im Sommer
2003 konnten wieder Depolarisationsmessungen erhalten
werden. Die gemessenen mittleren Depolarisationen liegen
bei δ=1,7 ± 1 %, die höchsten gemessenen Werte bei
δ=3,4 ± 2 %. Dabei werden die höheren Depolarisationen
Höhe [km]
86
85
84
83
82
81
0 1 2 3 4 5
Rückstreukoeffizient [1E-10/m/sr]
Abb. 13.2: Modellierung einer NLC
in 69 ◦ N für Sphären (blau) bzw. Nadeln
und Platten (rot) mit einem Achsenverhältnis
> 1/10.
meist außerhalb des Schichtmaximums der NLC gemessen. Die Depolarisationswerte im Schichtmaximum
wurden bei ca. 1% gemessen. Die erhaltenen Depolarisationswerte befinden sich somit
in einer guten Übereinstimmung mit den oben erwähnten theoretisch bestimmten Werten. Die
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