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

Abb. 31.2: Höhenprofil der Signalleistung
des rückgestreuten Radarechos
aus dem Zenit (a) sowie die beobachtete
spektrale Breite (b) als halbstündiges
Mittel um die Startzeit der MM-MI-25.
Zusätzlich stellt Abb. 31.1(b) die gemessene spektrale
Breite dar, die sowohl Anteile der Spektrenverbreiterung
durch den Hintergrundwind und Wellen als auch die turbulenten
Beiträge beinhaltet.
In Abb. 31.2(a) ist ein Höhenprofil des Halbstundenmittels
der Signalstärke dargestellt. Die starke Variation
des Signals, angezeigt durch die Balken, ist ebenfalls in
Abb. 31.1(a) für den Zeitraum 1:30 – 2:00 UT zu erkennen
und schwankt im Maximum um ±20 dB. Die spektrale
Breite, Abb. 31.2(b), steigt mit zunehmender Höhe an
und weist ein mittlere Schwankung von ±1, 5 m s −1 auf,
wobei ∆vrad die untere Grenze bestimmt.
Zur Bestimmung der turbulenten spektralen Breite,
σturb, wurde die beobachtete spektrale Breite, σobs (vgl.
Abb. 31.2(b)), um die Verbreiterung durch den Hintergrundwind
korrigiert. Hierzu wurde die analytische Beschreibung
nach Nastrøm (Ann. Geophys., 15, 786-796,
1997), σ 2 turb = σ2 obs − ((θ0/2) 2 /3)V 2 , für den vertikalen
Strahl angewandt. Dabei bedeuten θ0 die Strahlbreite
bei halber Leistung (7 ◦ für ALWIN im DBS-Modus) und
V die horizontale Windgeschwindigkeit. Der Beitrag des
Hintergrundwindes an σobs kann im Mittel mit 2 m s −1 bei einer Windgeschwindigkeit von
50 − 80 m s −1 angegeben werden. Unter der Vernachlässigung von atmosphärischen Wellen zeigt
die Abb. 31.3(a) das Höhenprofil von σturb als Halbstundenmittel. Der turbulente Anteil nimmt
mit der Höhe zu, da im allgemeinen die Neutralgasturbulenz am oberen Rand der PMSE stärker
ausgebildet ist.
Aus σturb kann die turbulente Energiedissipationsrate,
ɛ, abgeleitet werden, die in Abb. 31.3(b) dargestellt ist.
Im halbstündigen Mittel variiert ɛradar um 30 mW kg −1 .
Abb. 31.3(b) zeigt weiterhin ɛrocket, gemessen mit der
Höhenforschungsrakete MM-MI-25.
Die hier dargestellten Radar-Experimente spiegeln ein
räumliches und zeitliches Mittel des atmosphärischen Zustandes
wider. Verglichen mit den in-situ Raketenmessungen,
die eine instantane Punktmessung zeigen, ist im
Höhenbereich des Radarechos zwischen 83 − 86 km eine
gute Übereinstimmung der Ergebnisse beider Untersuchungsmethoden
zu erkennen.
Auf Grund des breiten Radarstrahls von 7 ◦ ist eine
Korrektur der Strahlverbreiterung durch den Wind unerlässlich.
In der hier beschriebenen Korrektur sind die
nicht-turbulenten Einflüsse näherungsweise zusammengefasst.
Der Einfluss atmosphärischer Wellen wurde hier
nicht betrachtet. Dieser Beitrag sollte aber nicht vernachlässigt
werden, da Wellen in der Mesosphäre die Verbreiterung
des Spektrums mitbestimmen. Die aus Radarmessungen
gewonnenen Energiedissipationsraten sind somit
als obere Grenze zu betrachten. Die hier dargestellten
Ergebnisse zeigen anschaulich, dass die durchgeführten
Abb. 31.3: Höhenprofil der turbulenten
spektralen Breite (a) sowie
der turbulenten Energiedissipationsrate
(b). Die Energiedissipationsraten der
Höhenforschungsrakete MM-MI-25 sind
durch die roten Kreisen dargestellt.
Radarexperimente zur Turbulenzcharakterisierung geeignet sind und vergleichbare Ergebnisse
zu in situ Experimenten mittels Höhenforschungsraketen liefern.
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