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

31 Vergleiche von Turbulenzparametern aus VHF-Radar- und
Raketenmessungen
(N. Engler, W. Singer, R. Latteck, M. Rapp, B. Strelnikov)
In diesem Beitrag wird ein Vergleich der turbulenten Energiedissipation, gewonnen aus Messungen
mit dem ALWIN VHF-Radar (vgl. Kapitel 23) sowie den in situ gemessenen turbulenten
Energiedissipationsraten aus Raketenexperimenten (vgl. Kapitel 18) angestrebt, um die enge
Verknüpfung der verschiedenen Experimente zur Untersuchung der mittleren und oberen Atmosphäre
zu verdeutlichen.
Mit dem ALWIN VHF-Radar (Sendefrequenz 53, 5 MHz) können die polaren mesosphärischen
Sommerechos (PMSE) studiert werden, die in polaren Breiten in der Nähe der Mesopause
zu beobachten sind. Das Auftreten von PMSE ist an die sehr niedrigen Mesopausentemperaturen
in der Sommerhemisphäre gekoppelt und kann durch Gezeiten und Schwerewellen beeinflusst
werden. Eine Variation der Radarreflektivität durch das Auftreten von Eispartikeln auf Grund
der niedrigen Temperaturen äußert sich im rückgestreuten Radarsignal als starkes Echo. Aus den
rückgestreuten Signalen können die Signalstärke und die mittlere Geschwindigkeit der Streuer
in Blickrichtung des Radars untersucht werden. Der Hintergrundwind sowie turbulente Ereignisse
im untersuchten Volumen erhöhen die Variation der ermittelten radialen Geschwindigkeit
und führen zu einem verbreiterten Signalspektrum. Die spektrale Breite, nach Abzug des durch
den bekannten Hintergrundwind beeinflussten Anteils, ist ein Maß für Turbulenz und kann zur
Abschätzung der turbulenten Energiedissipationsrate verwendet werden. Der Einfluss von Wellen
auf die spektrale Breite wird hier nicht betrachtet.
Im Jahre 2002 fand auf der
Andøya Rocket-Range (Nord-Norwegen)
die MIDAS/MaCWAVE-
Kampagne statt. Während dieser
Kampagne wurden u.a. Höhenforschungsraketen
mit dem CONE-
Sensor (vgl. Kapitel 18) gestartet,
aus deren Messungen turbulente
Energiedissipationsraten bestimmt
wurden. Für diesen Artikel
wurden die Ergebnisse der Rakete
MM-MI-25 ausgewählt, die am
5. Juli 2002 um 1:42 Uhr (UT) gestartet
wurde.
Das ALWIN VHF-Radar wurde
kontinuierlich über den gesamten
Sommer zum Studium der PMSE
betrieben. Für die hier vorgestellten,
zeitlich hochaufgelösten, Radarsondierungen
wurde ein 16-bit
Komplementärkode mit einer Puls-
Abb. 31.1: Signalleistung des rückgestreuten Radarechos aus
dem Zenit (a) sowie die beobachtete spektrale Breite (b) für
den 05.07.2002.
wiederholrate von 1, 45 kHz und einer Einzelpulslänge von 300 m gesendet und empfangsseitig
mit einer Höhenauflösung von 300 m und 32 kohärenten Integrationen registriert. Aus den technischen
Parametern resultiert eine maximale radiale Geschwindigkeit von vrad = 31, 7 m s −1 mit
einer Auflösung von ∆vrad = 0, 25 m s −1 .
Die Abb. 31.1(a) zeigt die rückgestreute Signalleistung des vertikalen Radarstrahls im Dopplermodus
für den 5. Juli 2002. Die beobachtete PMSE hat zur Zeit des Rakentenstarts eine
vertikale Ausdehnung von ca. 5 km und eine mittlere Signalstärke im Maximum von ca. 60 dB.
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