Schwerewellen und leuchtende Luft

  • 08. February 2016

Koordinierte Messflüge führen zu besserem Verständnis des Ein­flus­ses von Schwere­wellen auf Wetter und Klima.

Schwerewellen beeinflussen das Klima und unser Wetter. Den Lebens­zyklus von atmo­sphärischen Schwere­wellen konnte ein inter­nationales Forscher­team jetzt erst­mals nahezu voll­ständig vermessen. Mit den Forschungs­flug­zeugen HALO und Falcon führten die Atmo­sphären­forscher vom nord­schwedischen Kiruna aus koordi­nierte Mess­flüge durch.

HALO

Abb.: Das Forschungsflugzeug HALO bei der Landung in Kiruna. (Bild: DLR)

Schwerewellen sind von der Schwerkraft getriebene Schwan­kungen von Luft­massen. Sie werden in den unteren Schichten der Atmo­sphäre ange­regt, wenn Luft­massen beispiels­weise über Berge strömen. Um das bisher unzu­reichend erforschte Wetter­phänomen zu unter­suchen, filmen die Wissen­schaftler mit einer speziellen Kamera das Auf­ein­ander­treffen von Schwere­wellen im Luft­leuchten in etwa 85 Kilo­metern Höhe. Das Luft­leuchten wird durch chemische Reaktionen in diesem Höhen­bereich verur­sacht. Zusätz­lich verwenden die Wissen­schaftler Laser­geräte für die Wind-, Spurengas- und Aero­sol­detektion, ein abbil­dendes Infra­rot­spektro­meter zur Fern­er­kundung der drei­dimensio­nalen Verteilung von Temperatur und Spuren­gasen sowie Geräte für die in-situ Messung der Konzen­tration von Spuren­gasen in der Atmo­sphäre. Die Ergeb­nisse dieser Experi­mente helfen dabei, Klima­modelle und Wetter­vor­her­sagen zu verbessern.

Studien zum Phänomen Schwerewellen gab es bereits viele. Aller­dings wurden sie meist entweder in den unteren oder in den oberen Atmo­sphären­schichten erforscht. Die einzelnen Schichten der Atmo­sphäre befinden sich aber in einem ständigen Aus­tausch. Deshalb unter­suchen die Wissen­schaftler jetzt das Entstehen, die Aus­breitung und schließlich das Brechen von Schwere­wellen auf ihrem Weg durch die Atmo­sphäre. Schwere­wellen entstehen in der Tropo­sphäre und trans­portieren Energie und Impuls in die Strato- und Meso­sphäre. Dort werden sie instabil und brechen, was Einfluss auf die Temperatur, die Luft­zirku­lation und lang­fristig auch auf das Klima hat. Um die dyna­mischen Prozesse zwischen den Schichten der Atmo­sphäre präzise beschreiben zu können, müssen die Schwere­wellen in bestehenden Klima- und Wetter­modellen entweder direkt berechnet oder ihre Effekte ver­ein­facht dar­ge­stellt werden.

Das Problem: Schwerewellen sind vergleichsweise sehr klein­räumige Phänomene und deshalb extrem schwer zu messen. „Bisher ist es noch niemandem gelungen, ihre Eigen­schaften voll­ständig zu erfassen und korrekt in ein Klima- oder Wetter­vor­her­sage­modell zu inte­grieren“, erklärt Markus Rapp, Direktor des DLR-Instituts für Physik der Atmo­sphäre. „Durch die Kombi­nation erprobter Mess­instru­mente mit der neu am DLR ent­wickelten Air­glow-Kamera FAIM ist es uns gelungen, die Schwere­wellen von ihrem Anregungs­niveau in der unteren Atmo­sphäre bis zum Ort ihres Brechens in der oberen Atmo­sphäre zu ver­folgen.“ Ein besseres Verständnis der Effekte von Schwere­wellen auf Atmo­sphäre und Wetter hilft, exaktere Modelle für eine bessere Klima­forschung und eine präzisere, mittel­fristige Wetter­prognose zu erstellen.

Dazu fliegen die beiden Forschungsflugzeuge HALO und Falcon koordi­nierte Mess­flüge am nord­schwedischen Nord­polar­kreis. HALO fliegt dabei in 15 Kilo­metern Höhe in der Tropo­pause. Falcon hingegen fliegt wesent­lich tiefer und richtet seine Mess­instrumente zum Teil nach unten und zum Teil nach oben, in bis zu 85 Kilometer Höhe aus. Im Ergebnis orche­strieren die instal­lierten Mess­instrumente ein Gesamt­bild des Schwere­wellen-Phänomens. So konnte das Team das Luft­leuchten und die sich darin auf­lösenden Schwere­wellen vom Flug­zeug aus beobachten. Dadurch ließ sich der Aus­breitungs­charakter der Wellen ungleich besser erfassen. Und dadurch, dass die Forscher eine viel größere Unter­suchungs­fläche als in früheren Studien beob­achten, können sie direkt zusehen, in welche Richtung sich die Schwere­wellen aus­breiten.

DLR / RK

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