Physik Abteilung, Arbeitsgruppe Wolken, ACTOS

Überblick

Die Turbulenz in Wolken umfasst eine große Bandbreite von räumlichen Skalen die an den verschiedenen Wolkenprozessen 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 räumliche 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.

Der Einfluss von Turbulenz auf die verschiedenen Wolkenprozesse ist ein zentrales Thema der aktuellen Atmosphärenforschung. Auf großen Skalen wird z.B. an Wolkenrändern und der Wolkenobergrenze untersättigte Umgebungsluft in die Wolke eingemischt (Entrainment). Auf kleineren Skalen werden die eingemischten "Luftpakete" schließlich mit der Wolkenluft weiter vermischt und somit die thermodynamischen Bedingungen in denen sich die Wolkentropfen entwickeln können modifiziert. Wirbel auf immer kleiner werdenden Skalen führen letztendlich zur Homogenisierung der Wolkenbereiche. Auf noch kleiner werdenden Skalen bis hin zu Längen vergleichbar mit den Wolkentropfendurchmessern selber findet eine direkte Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Wolkentropfen statt. Diese Prozesse haben direkte Auswirkungen auf Tropfenkollision und damit auf das Wachstum von Wolkentropfen bis hin zur Niederschlagsbildung.

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 Air Speed, TAS") von 100 m/s; dann 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 realisierbar. Weiterhin sind die verschiedenen Messsysteme häufig weit über das Flugzeug verteilt und somit können verschiedene Parameter auf kleinen Skalen oft nur ungenügend miteinander korreliert werden.

Um diese Probleme zu minimieren wurde das Turbulenzmesssystem ACTOS (Airborne Cloud Turbulence Observation System) für räumlich hoch aufgelöste Messungen in Wolken entwickelt. ACTOS ist ein autarkes Messsystem für sowohl Turbulenzemessungen (Windvektor, Temperatur, und Feuchte) als auch für wolkenmikrophysikalische Parameter wie Tropfenanzahlkonzentration und Tropfengrößenverteilungen. Die Abbildung zeigt die aktuelle Version von ACTOS vor einem Hubschrauber mit dem Messungen in Wolken bis in eine Höhe von etwa 3000 m durchgeführt werden können. ACTOS wird bei diesem Einsatz an einem 140 m langen Seil am Lasthaken des Hubschraubers geschleppt und von oben in die Wolken eingetaucht. Somit können unbeeinflusst vom Einfluss des Hauptrotors des Hubschraubers zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Messungen durchgeführt werden. Der Hubschrauber bietet im Vergleich zu einem Flugzeug den großen Vorteil einer deutlich geringeren TAS von etwa 15 m/s (in dieser speziellen Anordnung) und damit allein schon eine größere räumliche Auflösung der Messungen. Hinzu kommt, dass viele messtechnische Probleme bei der geringeren TAS deutlich unproblematischer sind und somit andere Sensoren eingesetzt werden können welche auf einem Flugzeug kaum zu betreiben wären.