Surf-Zone am Rand zum Weltraum: wo Schwerewellen brechen

Wellen prägen nicht nur die Dynamik des Wassers im Ozean, sondern auch die der Luft in der Atmosphäre. Besonders im Höhenbereich der oberen Mesosphäre / unteren Thermosphäre (etwa 80 bis 100 Kilometer Höhe) findet man so genannte Schwerewellen.

[video: Abb. 1: Ein etwa zweistündiger Ausschnitt der Kameradaten ist im Zeitraffer gezeigt. Ähnlich wie Wellen am Strand beginnt die Welle in 90km Höhe zu brechen. Die Wellen im Video sind als Relief mit der Intensität als Höhe dargestellt, um die Wellenstrukturen hervorzuheben. Die Sterne, welche als helle Punkte sichtbar sind, sind vom Relief ausgenommen.]

Abb. 1 zeigt eine Filmsequenz unserer Messungen. Deutlich erkennt man die hohe Wellendynamik. Diese Schwerewellen sind für unser Verständnis der Vorgänge in der Atmosphäre von großer Bedeutung: sie werden häufig in der unteren Atmosphäre, also in den oberflächennahen Bereichen angeregt und können sich, einmal entstanden, bis in große Höhe ausbreiten. Der entscheidende Punkt: durch die Bildung dieser Wellen wird der unteren Atmosphäre Energie entzogen und anschließend in andere Bereiche der Atmosphäre transportiert. Erst wenn diese Wellen brechen, geben sie diese Energie an die Umgebung ab. Schwerewellen tragen auf diese Weise sehr effektiv zur Umverteilung von Energie in der Atmosphäre bei. Die Konsequenzen sind vielfältig: so wird z.B. die Atmosphäre in den Bereichen, in denen Wellen brechen, aufgewärmt. Eine andere Wirkung besteht darin, dass selbst globale Windsysteme durch brechende Wellen abgebremst oder auch beschleunigt werden können. Wir wissen heute: beides bleibt nicht immer ohne Folgen. Grund genug also, diese Vorgänge näher zu studieren, um die ablaufenden Prozesse besser zu verstehen.

Übersichtskarte
Abb. 2: Die Sichtfelder vom DLR in Oberpfaffenhofen und vom Sonnblick Observatorium aus in Blau. Quelle: Hannawald et al. (2019), CC-BY-4.0.


Zum besseren Verständnis der atmosphärischen Dynamik wurden über 20 Millionen Kamera-Aufnahmen ausgewertet. Die Daten stammen von der Nahinfrarotkamera FAIM, die 2014 vom DLR in Oberpfaffenhofen jede Nacht die Schwerewellen in 90km Höhe erfasste und 2015 bis 2017 am Partnerobservatorium am Hohen Sonnblick in Österreich in Betrieb war.


Dieses Observatorium ist, wie das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum des DLR, ebenfalls Teil des Virtuellen Alpenobservatoriums (VAO). Das Netzwerk umfasst mittlerweile Forschungsgruppen und Observatorien aus acht Ländern, die gemeinsam im Alpenraum komplexe wissenschaftliche Fragestellungen beantworten wollen. So wird ein Beitrag zur Untersuchung der globalen Zirkulationsmuster und deren Veränderung geliefert und der lokale Einfluss der Alpen in diesem Szenario spezifiziert.


Die Arbeiten werden finanziert vom bayerischen Staatsministerium für Umwelt- und Verbraucherschutz mit den Projekten LUDWIG und VoCaS-ALP.


Weitere Informationen können hier abgerufen werden:
https://www.dlr.de/eoc/en/desktopdefault.aspx/tabid-13247/23165_read-53993/
Hannawald et al., 2019, AMT, https://doi.org/10.5194/amt-12-457-2019
Sedlak et al., 2016, AMT, https://doi.org/10.5194/amt-9-5955-2016
Hannawald et al., 2016, AMT, https://doi.org/10.5194/amt-9-1461-2016