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

17 Erste in situ Turbulenzmessung in 78 ◦ N
(B. Strelnikov, H.-J. Heckl, F.-J. Lübken, M. Rapp)
Abb. 17.1: Der CONE-Sensor
zur hochaufgelösten Messung der
Neutralgasdichte, der während
aller drei Raketenflüge zum Einsatz
kam.
Im Juli 2003 wurden im Rahmen der deutsch/norwegischen
ROMA-SVALRAK Kampagne die ersten in situ Turbulenzmessungen
in sehr hohen nördlichen Breiten (78 ◦ N) von
der SVALRAK-Raketenbasis in Ny-˚Alesund/Spitzbergen aus
durchgeführt. Dazu wurden drei instrumentierte Höhenforschungsraketen
gestartet, die mit Instrumenten zur hochaufgelösten
Messung der Neutralgasdichte, von Elektronen und
positive Ionen, sowie von geladenen Partikeln bestückt war.
Neben dem Primärziel der Charakterisierung mesosphärischer
Turbulenz wurden damit zusätzlich Untersuchungen von PMSE
vorgenommen, auf die hier aber nicht näher eingegangen werden
soll. Die drei Raketenstarts fanden am 1., 4. und 6. Juli
statt. Alle drei Raketenflüge waren erfolgreich und lieferten
Daten von allen beteiligten Instrumenten. Abbildung 17.1
zeigt den CONE-Sensor des IAP (CONE=COmbined sensor
for Neutrals and Electrons), ein Ionisationsmanometer
zur hochaufgelösten Messung der Neutralgasdichte und ihrer
Fluktuationen. Bei dieser Meßtechnik wird ausgenutzt,
daß turbulente Bewegungen in der Atmosphäre zu Dichtefluktuationen
führen, die mit einem extrem empfindlichen
Gerät wie dem CONE-Sensor direkt gemessen werden können.
Abbildung 17.2 zeigt ein Beispiel solcher Fluktuationen, die während des ersten Fluges
am 1. Juli 2003 im Höhenbereich von 90±0,5 km Höhe
gemessen wurden. Das zusätzlich in Abbildung 17.2
dargestellte Leistungsdichtespektrum zeigt einen für
Turbulenz charakteristischen Verlauf: während die
spektrale Leistungsdichte im Frequenzbereich von 0,5
bis etwa 50 Hz (entsprechend räumlichen Skalen von
ca. 1 km bis 30 m) etwa wie f −5/3 (f=Frequenz)
abfällt, wird sie für noch größere Frequenzen (kleinere
Längenskalen) plötzlich wesentlich effektiver vernichtet.
Den ersten Frequenz- bzw. Skalenbereich nennt
man auch den inertialen Unterbereich der Turbulenz.
Hier dominieren die Trägheitskräfte des turbulenten
Geschwindigkeitsfeldes, und die kinetische Energie
wird in einer Kaskade von großen zu kleinen Skalen
transportiert. Bei noch kleineren Skalen dominiert
dann die molekulare Diffusion über die Trägheitskräfte
und noch vorhandene Strukturen werden in
diesem sogenannten viskosen Unterbereich vernichtet.
Der Übergang vom inertialen in den viskosen Unterbereich
ist im Spektrum als Knick deutlich, und die genaue
Lokalisierung dieser Übergangsskala, in der Turbulenztheorie
auch ” innere Skala“ genannt, erlaubt es,
die Stärke der vermessenen Turbulenz, ausgedrückt
durch die turbulente Energiedissipationsrate, zu quan-
Abb. 17.2: Relative Fluktuationen der
Neutralgasdichte (oberes Bild) aus einem
Höhenbereich von 90±0,5 km und das dazugehörige
Leistungsdichtespektrum (unteres
Bild). Die rote Linie zeigt den Fit eines
theoretischen Turbulenzmodells an das
experimentell bestimmte Spektrum.
tifizieren. Die innere Skala, und damit auch die Energiedissipationsrate, kann sehr genau durch
den Fit eines theoretischen Turbulenzspektrums an das gemessene Spektrum bestimmt werden
(siehe die rote Linie in Abb. 17.2).
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