Hochaufgelöste Wolkenmessungen
Die Turbulenz in Wolken umfaßt eine grosse Bandbreite
von räumlichen Skalen die an den verschiedenen Prozessen beteiligt sind; sie
beginnt bei der Größenordnung der Wolken selber (~ 100 - 1000 m) und reicht
bis hin zum Dissipationsbereich (~ 1 mm) wo turbulente kinetische Energie in
Wärme umgewandelt wird. Diese grosse Bandbreite von bis zu sechs
Größenordnungen macht die Messung von turbulenten Prozessen im allgemeinen
sehr kompliziert und nicht alle Skalen können in einem Experiment zugleich
erfaßt werden. Turbulenz und deren Einfluß auf die verschiedenen
Wolkenprozesse ist ein zentrales Thema der aktuellen Atmosphärenforschung bei
denen noch sehr viele Fragen z.T. recht kontrovers diskutiert werden. Auf
großen Skalen wird z.B. an Wolkenrändern und and der Wolkenobergrenze
untersättigte Umgebungsluft in die Wolke eingemischt; diesen Vorgang nennt
man Entrainment. Auf kleineren Skalen werden die eingemischten "Luftpakete"
schliesslich mit der Wolkenluft vermischt und somit die thermodynmischen
Bedingungen in denen sich die Wolkentropfen entwickeln können modifiziert.
Ständige Wiederholung dieser Prozesse führt letztendlich zu einer
Verbreiterung der Tropfengrößenverteilung. Besonders an Wolkenoberkanten und
an Rändern findet man daher durch Entrainment besonders viele kleine und
vergleichsweise große Wolkentropfen. Wirbel auf immer kleiner werdenden
Skalen führen letzendlich zur Homogenisierung der Wolkenbereiche. Auf noch
kleiner werdenden Skalen bis hin zu Längen vergleichbar mit den Wolkentropfen
selber findet eine direkte Wechselwirkung zwischen Turbulenz und
Wolkentropfen statt. Die sogenannte Wirbelhaftigkeit ("Vorticity") und damit
auch die lokale Beschleunigung der Luftpakete ist im Dissipationsbereich am
größten. Aus diesem Grund können Tropfen entsprechender Größe den Stromlinien
wegen ihrer Trägheit nicht mehr folgen und werden in Bereichen geringerer
Vorticity angereichert. Somit wird also auch die räumliche Verteilung von
Wolkentropfen beeinflußt ohne dass die Tropfengrößenverteilung aus
thermodynamischen Gründen verändert wird. Dieser Effekt hat große Bedeutung
für das Tropfenwachstum auf Grund von Kollision und Koaleszenz und somit
wahrscheinlich auch für die Entstehung von Niederschlag. Besonders diese
Fragestellung ist auf Grund von messtechnischen Limitierungen bisher in
realen Wolken noch kaum untersucht. Ein grundlegendes Problem ist jedoch, daß
die meisten Turbulenzmessungen in Wolken bisher mit Forschungsflugzeugen
durchgeführt wurden die auf Grund ihrer hohen Fluggeschwindigkeit nur eine
räumliche Auflösung im Meterbereich erlauben. Angenommen ein Flugzeug fliegt
mit einer relativen Geschwindigkeit zur Umgebung ("True Airspeed, TAS") von
100 m/s, so müßten Turbulenzsensoren im 100 kHz-Bereich abgetastet werden um
den Dissipationsbereich zeitlich und räumlich auflösen zu können. Dies ist
schon für Messungen im Labor (z.B. Windkanal) eine messtechnische
Herausforderung und auf Flugzeugen bisher kaum machbar. Weiterhin sind die
verschiedenen Messsysteme häufig weit über das Flugzeug verteilt und somit
können verschiedene Parameter auf kleinen Skalen oft schlecht miteinander
korreliert werden. Um diese Probleme zu minimieren wurde das
Turbulenzmesssystem ACTOS (Airborne Cloud Turbulence Observation System) für
Turbulenzmessungen in Wolken entwickelt, welches im weiteren näher
vorgestellt wird.
Das Turbulenzmesssystem ACTOS
Das Turbulenzmesssystem ACTOS ist ein autonomer
Messgeräteträger für räumlich hochaufgelöste Wolkenmessungen im Zentimeter-
bis Dezimeterbereich und wurde im Jahr 2000 zum erstenmal erfolgreich
eingesetzt. Das System beinhaltet eine große Anzahl von verschiedenen
Sensoren für die Bestimmung von Turbulenz- und wolkenmikrophysikalischen
Parametern (Sensortabelle).
Zusätzlich ist ACTOS mit einem eigenem Navigationsmodul ausgestattet mit dem
die Lagewinkel, Position und Inertialbewegungen von ACTOS gemessen werden
können. MIt Hilfe dieser Meßgrößen kann der gemessenen Windvektor in ein
erdfestes Koordinatensystem transformiert werden. Eine Echtzeitdatenerfassung
und eigene Stromversorgung komplettieren das System. Telemetrie oder
Glasfaserkabel ermöglichen die Online-Überwachung das Systems während des
Fluges. In der aktuellen Version besteht der Hauptteil von ACTOS aus fünf
19"-Standardracks in denen der Hauptteil der Elektronik, Stromversorgung und
Datenerfassung untergebracht ist. In Abbildung 1 und der schematischen Skizze
(Abb. 2) ist dieser Teil als rote mittlere Einheit des Systems zu erkennen.
Das Heckteil besteht aus einem Leitwerk welches ACTOS in die mittlere
Strömung ausrichtet. Auf der Spitze des signalroten Leitwerks befindet sich
ein Antikollisionslicht um die Sichtbarkeit von ACTOS v.a. für andere
Flugzeuge zu erhöhen. Der Vorderteil beinhaltet die empfindlichen
Senorgruppen, welche an einem aus Karbonrohren bestehendem Ausleger befestigt
sind. Bei dieser Anordnung sind alles Sensoren dicht beieinander und der
Einfluss von störenden Strömungseinflüssen durch den soliden Mittelteil von
ACTOS minimal. Das Unterteil von ACTOS ist als breites Kufengestell ausgelegt
um eine sicherer Landung zu gewährleisten. In der gezeigten
Hubschrauber-Version ist ACTOS insgesamt etwa 5.5 m lang und hat je nach
Sensorausstattung und Trägersystem ein Eigengewicht von ungefähr 200
kg.
