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

echen, in niedrigeren Höhen erreicht, was sich in der in Abbildung 18.2 gezeigten Morphologie
von Neutralgasturbulenz (insbesondere dem Auftreten von Turbulenz unterhalb von 80 km
Höhe) äußert. Durch dieses Brechen (und die damit verbundene Dissipation der Wellenenergie
durch Turbulenz) kommt es zu einer nichtverschwindenden Impulsflussdivergenz, die dazu führt,
dass der Hintergrundwind in Richtung der Phasengeschwindigkeit der Schwerewelle beschleunigt
wird. Da im polaren Sommer nur Wellen mit positiven Phasengeschwindigkeiten bis in die Mesopausenregion
propagieren können (die mit negativen Phasengeschwindigkeiten werden schon
in tieferen Höhen in einem kritischen Niveau absorbiert), wird der bis ca. 80 km Höhe westwärts
gerichtete Wind abgebremst, und es kommt zu einer Windumkehr an der Mesopause. Mit der
Abbremsung des Zonalwindes ist eine ageostrophische Windkomponente verbunden, die zu einer
globalen meridionalen Zirkulation führt. Das prinzipielle Zusammenspiel von horizontalem
Wind, der Ausbreitung von Schwerewellen und der Entstehung von Turbulenz und der damit
verbundenen Impulsdeposition ist in Abbildung 18.5 schematisch dargestellt: Höhere Wellenamplituden
führen zu niedrigeren Brechniveaus der Schwerewellen, somit zu Turbulenzproduktion
in niedrigeren Höhen, zu einer Abbremsung des Zonalwindes in niedrigeren Höhen und damit
schließlich zu einem niedriger liegenden Maximum des zonalen Windes.
Abb. 18.5: Abhängigkeit des zonalen
Windes von der Impulsdeposition durch
brechende Schwerewellen. Gepunktete
Linie: Erwartetes Profil des zonalen
Windes im Strahlungsgleichgewicht bei
Nichtberücksichtigung der Impulsdeposition
durch Schwerewellen (ūrad). Gestrichelte
Linien: idealisierte Darstellung
der Amplitude von Schwerewellen,
die exponentiell anwachsen bis Brechen
einsetzt und Impuls deponiert wird (gekennzeichnet
durch das Symbol DF ).
Durchgezogene Linien: Zonalwindprofile
bei Berücksichtigung der Impulsdeposition
durch Schwerewellen.
Unklar bleibt in diesem Zusammenhang aber noch
die Frage nach der Ursache der verstärkten Wellenaktivität,
wie sie in Abbildung 18.4 dargestellt ist. Eine
genauere Analyse der in Abbildung 18.1 gezeigten
Temperaturmessungen zeigt hier, dass die Stabilität der
Atmosphäre (im Wesentlichen der Temperaturgradient)
während des Kampagnenzeitraums im Höhenbereich von
70 – 85 km Höhe größer war als in anderen Jahren, was
wiederum zu einem schnelleren Anwachsen der Wellenamplituden
mit der Höhe führt. Ob dies in dem beschriebenen
gekoppelten System allerdings Ursache oder
Wirkung einer geänderten globalen meridionalen Zirkulation
und damit einer anderen mittleren thermischen
Struktur ist, kann alleine aus unseren Beobachtungen
nicht geschlossen werden. Zur Beantwortung dieser Frage
wurden daher Modellrechnungen mit einem idealisierten
Zirkulationsmodell der mittleren Atmosphäre, dem
KMCM (=Kühlungsborn Mechanistic Circulation Model),
durchgeführt. Diese Analysen sind im Detail in Kapitel
41 dargestellt. Ausgangspunkt dieser Modellrechnungen
sind die Beobachtungen einer starken planetaren
Rossby-Wellenaktivität auf der Südhalbkugel während
des Kampagnenzeitraums (also im südpolaren Winter),
wo sogar erstmals in der Geschichte der Stratosphären-
Beobachtungen ein so genanntes ,,major warming” auf
der Südhalbkugel beobachtet wurde. Wie in Kapitel 41
gezeigt wird, führt diese verstärkte planetare Wellenaktivität
zu einer geänderten hemisphärenübergreifenden
globalen Zirkulation, die mit den oben beschriebenen
ungewöhnlichen Charakteristiken der Mesopausen-
region im polaren Sommer auf der Nordhalbkugel einhergeht. Die Beobachtungen während der
MIDAS/MaCWAVE Kampagne stellen damit einen einzigartigen Datensatz zu einem ungewöhnlichen
atmosphärenphysikalischen Ereignis dar, mit dessen Hilfe viele Details unseres Verständnisses
der globalen Zirkulation und der zugrunde liegenden Dynamik studiert werden können.
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