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

16 Windmessungen mit fallenden Kugeln in polaren Breiten
(A. Müllemann, F.-J. Lübken)
Im Rahmen mehrerer Projekte wurden seit etwa 20 Jahren Winde und Temperaturen in der
Mesosphäre und oberen Stratosphäre mit Hilfe so genannter ” fallender Kugeln“ bestimmt. Dabei
wird ein etwa 1 m großer, kugelförmiger Ballon mit Hilfe einer Rakete in ca. 110 km Höhe
transportiert, ausgestoßen und anschließend aufgeblasen. Die Fallbewegung der Kugel wird von
einem Bahnverfolgungsradar aufgezeichnet. Aus der Trajektorie wird die Abbremsung der Kugel
und daraus das Dichte- und Temperaturprofil der Atmosphäre abgeleitet. Aus der horizontalen
Ablenkung der Kugel werden zonale und meridionale Winde bestimmt, was etwa im Höhenbereich
von 80 – 30 km zu vernünftigen Ergebnissen führt. Da der Einsatz von fallenden Kugeln im
Vergleich zu instrumentierten Höhenforschungsraketen relativ kostengünstig ist, sind verhältnismäßig
viele Messungen mit dieser Technik durchgeführt worden (bis zu 20 – 30 Starts pro
Messkampagne).
Bisher lag der Schwerpunkt der Auswertung
der Messungen mit fallenden Kugeln bei
der Bestimmung der saisonalen Variation der
thermischen Struktur der polaren Mesosphäre
und oberen Stratosphäre. Jetzt wurden zum
ersten Mal auch die Windmessungen systematisch
untersucht, und zwar von insgesamt 125
Flügen, die im Zeitraum von 1987 bis 2002
stattfanden.
Abb. 16.1 fasst die Ergebnisse der Messungen
des Zonalwinds von insgesamt 51 Messungen
mit fallenden Kugeln aus der Zeit von Ende
Juli bis Anfang Oktober zusammen. Bis Mitte
August zeigen die Messungen den typischen
Sommerstrahlstrom der polaren Sommermesosphäre
mit westwärts gerichteten Winden
im gesamten Höhenbereich und mit mittleren
Windgeschwindigkeiten von bis zu ∼40 m s −1 .
In der zweiten Augusthälfte und Anfang Sep-
Abb. 16.1: Zusammenfassung von insgesamt 51
Messungen des Zonalwinds mit fallenden Kugeln
bei 69 ◦ N in der Zeit von Ende Juli bis Anfang
Oktober. Negative Zonalwinde sind westwärts und
positive Zonalwinde sind ostwärts gerichtet.
tember nehmen die Zonalwindgeschwindigkeiten zunächst ab. Von Anfang September an sind
die Zonalwinde dann überwiegend ostwärts gerichtet. Im Oktober zeigen die Zonalwinde schon
den ostwärts gerichteten Winterstrahlstrom in der Mesosphäre und oberen Stratosphäre.
Durch Mittelung und Glättung
der Einzelprofile wurde eine
Klimatologie des Zonalwinds bei
69 ◦ N von Ende April bis Anfang
Oktober erstellt, die in Abb. 16.2
gezeigt ist. Man erkennt deutlich
die Umkehr der Zirkulation
im Frühjahr bzw. im Herbst
mit einem Wechsel von positiven
(ostwärts gerichteten) zu negativen
(westwärts gerichteten) Winden,
bzw. umgekehrt. Dabei fällt
auf, dass der saisonale Übergang
im Frühjahr langsamer verläuft
als im Herbst (Ende April und
Mai liegen die Konturlinien in
Höhe [km]
80
70
60
50
40
5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10
Monat
45m/s
35m/s
25m/s
15m/s
5m/s
5m/s
15m/s
25m/s
35m/s
45m/s
55m/s
Abb. 16.2: Mittlere Zonalwinde von Ende April bis Anfang Oktober
bei 69 ◦ N aus insgesamt 125 Messungen mit fallenden Kugeln.
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