Bereits Kunde? Jetzt einloggen.
Lesezeit ca. 20 Min.

ATMOSPHÄRENFORSCHUNG: Leuchtende Nachtwolken


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 6/2018 vom 18.05.2018

In den Sommermonaten können wir nach Sonnenuntergang ein faszinierendes Phänomen beobachten: Feine, zirrusähnliche Schwaden, die über dem nördlichen Horizont zu schweben scheinen. Solche Leuchtenden Nachtwolken ziehen nicht nur Naturfreunde in ihren Bann. Wissenschaftlern liefern sie einzigartige Informationen über die Erdatmosphäre an der Grenze zum Weltraum.


Artikelbild für den Artikel "ATMOSPHÄRENFORSCHUNG: Leuchtende Nachtwolken" aus der Ausgabe 6/2018 von Sterne und Weltraum. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 6/2018

In der späten Abenddämmerung und in der frühen Morgendämmerung zeichnen sich Leuchtende Nachtwolken als helle Schleier vor dem Himmelshintergrund ab. Gewöhnliche Zirruswolken, die viel niedriger in der Erdatmosphäre beheimatet sind, erscheinen ...

Weiterlesen
epaper-Einzelheft 5,99€
NEWS 14 Tage gratis testen
Bereits gekauft?Anmelden & Lesen
Leseprobe: Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Sterne und Weltraum. Alle Rechte vorbehalten.

Mehr aus dieser Ausgabe

Titelbild der Ausgabe 6/2018 von LESERBRIEFE: Schwere Elemente aus leichten Sternen?. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
LESERBRIEFE: Schwere Elemente aus leichten Sternen?
Titelbild der Ausgabe 6/2018 von SOFIA in Hamburg. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
SOFIA in Hamburg
Titelbild der Ausgabe 6/2018 von LESER FRAGEN – EXPERTEN ANTWORTEN: Hundert Millionen Kelvin auf zwei Meter?. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
LESER FRAGEN – EXPERTEN ANTWORTEN: Hundert Millionen Kelvin auf zwei Meter?
Titelbild der Ausgabe 6/2018 von IM BILD: Gaia. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
IM BILD: Gaia
Titelbild der Ausgabe 6/2018 von NACHRICHTEN: Gravitationslinse enthüllt fernsten Stern. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
NACHRICHTEN: Gravitationslinse enthüllt fernsten Stern
Titelbild der Ausgabe 6/2018 von Ein Schwarm Schwarzer Löcher. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Ein Schwarm Schwarzer Löcher
Vorheriger Artikel
Wie schnell wachsen Schwarze Löcher?
aus dieser Ausgabe
Nächster Artikel ASTROMETRIE: Gaia – der zweite Katalog
aus dieser Ausgabe

... hingegen dunkel. Dieses Panorama erstellte Heiko Ulbricht aus Einzelbildern, die er am 20. Juni 2017 um 3:17 Uhr MESZ auf dem Landberg in Sachsen aufnahm.


Mit den Leuchtenden Nachtwolken verhält es sich wie mit so vielen faszinierenden Naturphänomenen, die zwar schon vor langer Zeit entdeckt wurden, die aber Forscher bis heute in Atem halten: Ihre erste Beobachtung verdanken wir einem Zufall. Mit dem Ausbruch des indonesischen Vulkans Krakatau im Jahr 1883 wurden große Mengen Vulkanasche in höhere Atmosphärenschichten eingebracht, die sich global verteilten. Sie verursachten in den folgenden Jahren außergewöhnlich farbenprächtige Dämmerungserscheinungen. Die Beobachtung dieses so genannten Purpurlichts bot die einmalige Gelegenheit, etwas über die Atmosphärenschichten jenseits der bekannten Troposphäre zu erfahren, in der sich das uns vertraute Wettergeschehen abspielt.

So kam es, dass viele Wissenschaftler in jenen Jahren den Dämmerungshimmel intensiv beobachteten. Im Juni des Jahres 1885 tauchte am Himmel plötzlich etwas völlig Unerwartetes, bislang nie Dagewesenes auf. Noch heute spürt man die Verblüffung der Entdecker, die in ihren Aufzeichnungen um Worte ringen und von »merkwürdigen Erscheinungen« und einem »See aus leuchtenden silbrig-weißen Wolken« berichten.

Am Abend des 8. Juni 1885 beobachtete der englische Astronom Thomas William Backhouse (1842 – 1920) im bayerischen Kissingen die erste Leuchtende Nachtwolke. Sie erinnerte ihn an die ungewöhnlichen irisierenden Wolken, die er im vorherigen Winter gesehen hatte – heute polare Stratosphärenwolken genannt. Aber Backhouse schloss richtig, dass es sich nicht um dasselbe Phänomen handeln konnte. Die kleinskaligen Strukturen der Wolken bergen auch einige Ähnlichkeiten zu den bekannten Zirruswolken. Doch auch sie kamen nicht in Betracht, denn sie erscheinen am Abendhimmel dunkel (siehe Bild oben).

Es war der deutsche Astronom Otto Jesse (1838 – 1901) von der Urania Sternwarte in Berlin, der sich sofort der wissenschaft- lichen Untersuchung dieses neuen Phänomens annahm und der auch den Begriff Leuchtende Nachtwolken prägte. Heute werden sie gemeinhin NLC genannt, nach dem englischen Begriff noctilucent clouds. Jesse beobachtete sie erstmals am 23. Juni 1885 und in den folgenden vier Wochen während ganzer zwölf Nächte. Aus mehreren Städten im norddeutschen Raum wurden ihm ebenfalls Beobachtungen gemeldet.

Eindrucksvoll berichtet auch der Maler und Schriftsteller Robert Charles Leslie (1826 – 1901), dessen große Liebe dem Meer und dem Segeln galt, von seiner ersten Beobachtung am 6. Juli 1885 in Southampton. Es sei ihnen sofort klar gewesen, schrieben sowohl Leslie als auch Backhouse, dass die sehr dünnen Wolken, durch die noch Sterne sichtbar sind, von der Sonne beleuchtet werden und sich daher in großer Höhe befinden müssen (siehe Grafik S. 30 oben). Im selben Jahr ermittelte Jesse die Schattenhöhe der Wolken bei verschiedenen Sonnenständen und errechnete daraus eine für den damaligen Wissensstand enorm hohe, jedoch immer noch zu niedrige Höhe der Wolken von 60 Kilometern über dem Erdboden.

Alle bis dahin bekannten Wolken traten nur in Höhen von maximal rund 10 Kilometern auf, mit Ausnahme der erwähnten polaren Stratosphärenwolken, die sich in etwa 23 Kilometer Höhe bilden. Backhouse fiel die ungewöhnliche Bewegungsrichtung der rätselhaften Wolken auf, die stets aus Norden oder Nordwesten zu kommen schienen – anders als die gewöhnlichen Zirren. Aus der beobachteten Bewegung leitete Jesse eine hohe Windgeschwindigkeit von 80 Metern pro Sekunde ab.

Der Forscher war begeistert von der Möglichkeit, aus den Beobachtungen der Wolken etwas über die Zusammensetzung und Dynamik der oberen Atmosphärenschichten erfahren zu können. Eindringlich rief er Meteorologen, Astronomen und Seefahrer zu Meldungen über Beobachtungen oder Nichtbeobachtungen von NLC auf und erarbeitete detaillierte Programme. Vor allem außereuropäische Sichtungen, besonders über der Südhemisphäre der Erde, interessierten ihn.

Leuchtende Nachtwolken werden von der Sonne angestrahlt und streuen Licht zum Auge des Betrachters, der sich selbst schon auf der Schattenseite der Erde befindet. Beobachtungen sind bei Sonnenständen zwischen 5 und 17 Grad unter dem Horizont möglich. Am Horizont beobachtete Nachtwolken sind bis zu 1000 Kilometer vom Beobachtungsort entfernt.


NASA / SuW-Grafik

Leuchtende Nachtwolken entstehen – für Flugzeuge und Ballone unerreichbar – in der Mesosphäre. Sie liegt weit oberhalb der Troposphäre, in der sich das alltägliche Wettergeschehen abspielt. Der Übergang zwischen den verschiedenen atmosphärischen Regionen ist jeweils durch eine Umkehr des Temperaturverlaufs (rot) gekennzeichnet.


SuW-Grafik

Doch schon im Jahr 1887 begann die Häufigkeit der Wolken sowie ihre Ausdehnung und Helligkeit merklich abzunehmen. Die Entdecker vermuteten, dass das Phänomen innerhalb weniger Jahre gänzlich verschwunden sein würde, und dass es Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte dauern könnte, bis die Gelegenheit zu einer solchen Beobachtung wiederkehrt. So arbeiteten sie intensiv daran, möglichst viel aus den noch bleibenden Beobachtungen zu lernen.

Am 6. Juli 1887 gelangen Jesse von zwei Standorten aus die ersten Fotografien Leuchtender Nachtwolken. Aus Aufnahmen von Potsdam und Berlin schloss er mittels Triangulation von auffälligen Strukturen innerhalb der Wolke auf eine Höhe von 75 Kilometern. Doch seine Messungen waren nicht sehr genau: Der Fehler beträgt bis zu zehn Kilometer. In den folgenden Jahren verfeinerte Jesse die Methode und vergrößerte den Datensatz. Mit einem Fehler von teilweise nur wenigen Metern ergab sich eine mittlere Höhe von 82 Kilometern, die über die Jahre hinweg konstant blieb. Über diesen Höhenbereich unserer Atmosphäre, den wir heute Mesopausenregion nennen, war damals fast nichts bekannt. Die Mesopause stellt ähnlich der Tropopause ein Temperaturminimum dar und markiert, je nach Definition, die Grenze zum Weltraum (siehe Grafik links).

Der Blick von oben

Einen wesentlichen Fortschritt für die Wissenschaft erbrachte in den 1960er Jahren eine neue Beobachtungsplattform: Am 30. Juli 1963 startete eine Höhenforschungsrakete aus dem schwedischen Kronogård zum Flug durch eine Leuchtende Nachtwolke. Das Ergebnis der indirekten Temperaturmessung war sensationell: –143 Grad Celsius in 84 Kilometer Höhe. Damit war klar, dass es nirgendwo auf unserer Erde kälter ist als in der polnahen Mesopause im Sommer! Das Besondere an einer solch niedrigen Temperatur liegt darin, dass auch bei sehr geringen Konzentrationen von Wasserdampf Eis entstehen kann.

Heute wissen wir zweifelsfrei, dass Leuchtende Nachtwolken aus Eisteilchen bestehen (siehe Kasten rechts). Die Wolken befinden sich in einer extremen Grenzregion am äußeren Rand der Atmosphäre, wo die Luftdichte um das Millionenfache geringer ist als am Boden. Somit ist hier die Atmosphäre in Auflösung begriffen. Abhängig von den Skalen der beobachteten Prozesse können die Forscher die aus der Fluiddynamik bekannten Strömungsgleichungen anwenden, oder sie gehen von einer unabhängigen Bewegung der Teilchen aus. Die Strömungsgleichungen eignen sich beispielsweise zur Beschreibung der in den Wolken sichtbaren Wellenstrukturen, während die Betrachtung einzelner Teilchen die Entwicklung von mikrophyskalischen Modellen zur Eisbildung ermöglicht.

Die Physik dieser Grenzregion wird sowohl von Einflüssen aus dem interplanetaren Raum, beispielsweise dem Sonnenwind, als auch aus den darunterliegenden Atmosphärenschichten bestimmt. Die Existenz von Eisteilchen in einer wissenschaftlich so interessanten, aber gleichzeitig so schwer erreichbaren Region ist ein wahrer Glücksfall. Denn die Streuung des Sonnenlichts an den Eisteilchen ist derart stark, dass keine technischen Hilfsmittel zu ihrem Nachweis nötig sind: Sie sind ja schon für unsere Augen sichtbar. So ist die Beobachtung Leuchtender Nachtwolken auch heute noch ein Schlüssel zur Erforschung dieser entlegenen atmosphärischen Region.

Aber auch in gänzlich anderer Hinsicht ist dieses Forschungsgebiet bedeutsam: Auf Grund der extremen Bedingungen er-wartet man, dass kleine Änderungen des Wasserdampfgehalts oder der Temperatur messbare Auswirkungen auf die Häufigkeit und Helligkeit von Leuchtenden Nachtwolken haben. Können wir daraus etwas über den Klimawandel lernen?

Häufige Raumfahrtaktivitäten, wie diese am 22. Dezember 2017 vom US-Luftwaffenstützpunkt Vandenberg gestartete Falcon-9-Rakete, transportieren Wasserdampf in die Mesosphäre – eine wichtige Zutat für die Bildung Leuchtender Nachtwolken. Durch die Verbrennnung des Treibstoffs Kerosin mit flüssigem Sauerstoff entsteht neben Kohlendioxid hauptsächlich Wasser.


Space X

Dieses am 16. Juni 2010 von Bord der Internationalen Raumstation aufgenommene Bild veranschaulicht, um wieviel höher polare mesosphärische Wolken – die Leuchtenden Nachtwolken – in der Erdatmosphäre angesiedelt sind als die uns vertrauten Wolken der Troposphäre, in der sich das Wettergeschehen abspielt.


NASA

Indikatoren für den Klimawandel?

Während sich der Klimawandel am Boden durch eine Temperaturerhöhung bemerkbar macht, kommt es im Bereich der oberen Mesosphäre, zwischen 70 und 100 Kilometer Höhe, zu einer Abkühlung: Die hier vorhandenen Kohlendioxidmoleküle senden Infrarotstrahlung aus, die ungehindert in den Weltraum entweichen kann. Infolge dieser Strahlungskühlung sinken die Temperaturen von –100 bis auf –140 Grad Celsius ab. Eine niedrige Temperatur begünstigt aber die Bildung Leuchtender Nachtwolken, die damit häufiger auftreten und heller werden können.

Durch menschliche Einflüsse emittiertes Methan ist wiederum eine Quelle für Wasserdampf in der Mesosphäre, der hier durch Oxidation entsteht und ebenfalls für die Bildung von Leuchtenden Nachtwolken benötigt wird. Durch Raumfahrtaktivitäten kann Wasserdampf sogar direkt in die Mesosphäre eingebracht werden und auf diese Weise künstliche Leuchtende Nachtwolken erzeugen (siehe Bild ganz oben). – Werden die NLC gar vollständig anthropogen verursacht? Denn woher kamen sie einfach so, im Jahr 1885? Waren es die vielen Millionen Tonnen Wasserdampf, die der Krakatau in die Atmosphäre einbrachte, die das damals unbekannte Phänomen erstmals entstehen ließen? Oder war es Zufall, und die Wolken sind ein Anzeichen der um das Jahr 1850 beginnenden Industrialisierung?

Die Frage, ob die Häufigkeit und Helligkeit durch den Klimawandel tatsächlich zunimmt, ist nicht leicht zu beantworten. Zunächst sind dafür langjährige und vergleichbare Messreihen erforderlich. Die hierbei eingesetzten Messinstrumente müssen aufwendig kalibriert und die Zeitreihen sorgfältig zusammengesetzt werden. Um tatsächlich Aussagen über Trends über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten treffen zu können, sollten idealerweise alle Prozesse auf kürzeren Zeitskalen verstanden sein. Die stärkste Modulation wird durch den elfjährigen Aktivitätszyklus der Sonne verursacht. Eine Faustregel besagt, dass selbst Messungen über drei Zyklen hinweg für eine Aussage über Trends nicht ausreichen.

Bodengebundene Beobachtungen bilden zwar die längste Zeitserie, sie sind jedoch schwierig zu interpretieren, da sie einen klaren Himmel voraussetzen. Bei Bewölkung ist nicht feststellbar, ob Leuchtende Nachtwolken aufgetreten sind oder nicht. Heute werden in Internetforen und -galerien sehr viele derartige Beobachtungen gemeldet. Doch das bedeutet nicht zwingend, dass die Wolken heute häufiger auftreten als vor hundert Jahren, denn aus dieser Zeit liegen uns kaum Meldungen vor. Zudem lässt sich ihre Helligkeit durch visuelle Beobachtungen nur sehr ungenau bestimmen. Und nicht zuletzt sind visuelle bodengebundene Beobachtungen stets auf eine bestimmte Zone geografischer Breiten sowie auf die Zeiten der Dämmerung begrenzt.

Wieder bringt eine neue Technologie die Forschung um weite Schritte voran. Verschiedene Instrumente auf Satelliten in polaren Umlaufbahnen detektieren Leuchtende Nachtwolken seit Ende der 1970er Jahre. Die Wissenschaftler bezeichnen die von Satelliten aus beobachtete dünne Eisschicht in 83 Kilometer Höhe als polare mesosphärische Wolken (englisch: Polar mesospheric clouds, PMC). Es handelt sich um dieselben Eisteilchen wie die vom Boden aus beobachteten Leuchtenden Nachtwolken. Doch aus dem Orbit werden nun auch jene Wolken sichtbar, die vom Boden aus nicht sichtbar sind, da sie von der Sonne am Tag überstrahlt werden. Dabei zeigt sich überraschenderweise, dass Leuchtende Nachtwolken keineswegs selten sind und im Sommer in hohen Breiten beinahe rund um die Uhr auftreten.

Wie ein Teppich bedecken die Leuchtenden Nachtwolken die Polarregion, wobei sich ihre kleinskaligen Strukturen ständig bewegen. Über Spitzbergen treten die Schleier in bis zu 80 Prozent der Zeit auf, über Nordnorwegen immerhin noch zu 30 Prozent. Über Norddeutschland sinkt schließlich die Häufigkeit auf etwa fünf Prozent. Die Situation auf der Südhemisphäre ist ähnlich wie auf der Nordhemisphäre, jedoch entsprechend den südlichen Jahreszeiten um ein halbes Jahr zeitlich versetzt. Dass von dort aus keine visuellen Beobachtungen gemeldet werden, liegt vor allem daran, dass in der entsprechenden geografischen Breitenzone auf der Südhalbkugel kaum Menschen leben. Somit beruhen die längsten verlässlichen Zeitserien auf Messungen mit Satelliten.

Einfluss der Sonnenaktivität

Seit dem Jahr 1978 werden an Bord verschiedener Wettersatelliten Instrumente betrieben, die das von atmosphärischem Ozon zurückgestreute ultraviolette Sonnenlicht messen. Die mit einem solchen Solar Backscatter Ultraviolet Radiometer (SBUV) beobachtete Strahlungsintensität hängt stark von der Sonnenaktivität ab. Die Forscher erwarten, dass die veränderliche UV-Strahlung nicht nur die Verteilung des Ozons, sondern auch die Bildung von Teilchen in Leuchtenden Nachtwolken beeinflusst: Die energiereiche solare UV-Strahlung verringert durch Fotodissoziation den Wasserdampfgehalt der oberen Atmosphäre und erhöht hier zudem die Umgebungstemperatur. Beides wirkt sich negativ auf die Bildung der Partikel Leuchtender Nachtwolken aus, so dass im Maximum des solaren Zyklus weniger – und auch weniger helle – Wolken beobachtet werden. Bodengebundene Messungen ergaben jedoch auch, dass diese Antikorrelation nicht an jedem Ort gelten muss.

Des Weiteren beeinflusst die Sonne die Temperatur und Dynamik innerhalb der Region, in der sich Leuchtende Nachtwolken bilden, durch atmosphärische Gezeiten. Ähnlich den Meeresgezeiten regt die Sonne in der Atmosphäre ein periodisches Signal an. Hierbei ist die Gravitationsanziehung des Tagesgestirns weitestgehend unerheblich. Entscheidend ist vielmehr die sich mit dem Sonnenstand ändernde Absorption solarer Strahlung durch Ozon und Wasserdampf, die zu einer sich ebenfalls mit der Tageszeit ändernden Erwärmung und Abkühlung der Luft führt. Die-se periodische Änderung der Temperatur kann sich in Form von thermischen Gezeiten innerhalb der Atmosphäre nach oben hin ausbreiten. In Höhe der Leuchtenden Nachtwolken können die durch Gezeiten verursachten Temperaturunterschiede bis zu 30 Kelvin betragen – ein enormer Wert, wenn man sich vor Augen hält, dass die Bildung Leuchtender Nachtwolken empfindlich von der Temperatur abhängt.

Die Beobachtung der ganztägigen und der noch stärker ausgeprägten halbtägigen Gezeiten gelang mit so genannten Lidar-Instrumenten (Light detection and ranging). Hierbei wird die Lichtstreuung eines sehr starken grünen Laserstrahls an den Eisteilchen Leuchtender Nachtwolken rund um die Uhr beobachtet (siehe Kasten S. 34). Dies war überraschend, da theoretischen Überlegungen zufolge der Einfluss der solaren Gezeiten zu hohen Breiten hin abnehmen und über dem Pol verschwinden sollte. Dennoch werden auch direkt über dem Südpol sehr starke Gezeiten beobachtet.

Beim Vergleich der für Leuchtende Nachtwolken charakteristischen Größen in der Nord- und Südhemisphäre ergeben sich einige Unterschiede. So ist die Höhe der Wolken über der Antarktis um einen Kilometer größer als über der Arktis, zudem sind sie im Süden weniger hell und treten auch seltener auf. Die Ursachen hierfür liegen in Unterschieden der atmosphärischen Zirkulation und den Ausbreitungsbedingungen für atmosphärische Wellen. Beide sind eng miteinander verknüpft und beeinflussen die Bildung Leuchtender Nachtwolken stark. Die symmetrische Form der Antarktis und das Fehlen von Landmassen bei 60 Grad südlicher Breite führen im Winter zur Ausbildung eines stabilen Polarwirbels – im Gegensatz zur Nordhemisphäre, wo der entsprechende Wirbel durch großskalige Wellen gestört wird (siehe Kasten oben). Der Zeitpunkt des Zusammenbruchs des Polarwirbels ist jedoch maßgeblich für den Beginn der NLC-Saison.

Globale Wechselwirkungen

Auch ein Einfluss der Zirkulation in der einen Hemisphäre auf die Leuchtenden Nachtwolken der jeweils anderen Hemisphäre ist möglich. Das Signal von abnehmenden Winden in der arktischen Stratosphäre, die in unseren Breiten mit eisigem Winterwetter verknüpft sind, erreicht zwei Wochen später die antarktische Mesosphäre. Sie wird in der Folge wärmer und trockener, so dass weniger Leuchtende Nachtwolken auftreten. Diese zunächst nur schwer vorstellbare Kopplung über 20 000 Kilometer hinweg innerhalb so kurzer Zeit zeigt, dass unsere Umwelt ein zusammenhängendes System ist, in dem einzelne Teile nicht isoliert bestehen und verstanden werden können. Somit hilft die Beobachtung Leuchtender Nachtwolken auch, die Dynamik der Atmosphäre als Ganzes zu verstehen und damit beispielsweise Klimamodelle zu verbessern.

Auf kürzeren Zeitskalen von Minuten bis zu wenigen Stunden dominiert der Einfluss von Schwerewellen die Struktur der NLC-Schicht (siehe Kasten oben). Dabei handelt es sich um Störungen, die durch vertikale Schwingungen von Luftpaketen entstehen – beispielsweise, wenn Wind über ein Gebirge hinweg weht – und die sich in der gesamten Atmosphäre ausbreiten können. Schwerewellen können in der Region, in der sich Leuchtende Nachtwolken bilden, starke Temperaturschwankungen von bis zu 50 Kelvin verursachen. In einer kalten Phase der Welle wachsen Eisteilchen an und werden heller, während sie in einer warmen Phase zerstört werden. Schon im Jahr 1962 vermuteten Forscher, dass die in Leuchtenden Nachtwolken oft beobachteten Streifenmuster direkt Schwerewellen abbilden.

NASA

NASA/HU/VT/CU-LASP/AIM/Joy Ng

Mit dem Satelliten AIM überwacht die NASA die Bildung von Leuchtenden Nachtwolken, um auf diese Weise Vorgänge innerhalb der Mesosphäre und ihre Wechselwirkungen mit anderen Regionen der Atmosphäre sowie eine mögliche Verbindung mit dem Klimawandel zu erforschen. Die Aufnahme ist Teil einer Serie, die AIM im November 2016 über der Antarktis aufnahm, als die südliche NLC-Saison besonders früh einsetzte.

Animierte Darstellung:goo.gl/bZ 98UJ


Tatsächlich weisen alle NLC-Beobachtungen sowohl räumlich als auch zeitlich kleinskalige Strukturen auf. Für unsere Augen unsichtbar, aber mit Lidar-Instrumenten präzise messbar, ist die vertikale Variabilität der Eiswolken. Ihre Höhe ändert sich typischerweise innerhalb von Minuten um mehrere hundert Meter, und auch ihre Helligkeit schwankt innerhalb von Minuten stark. Die Dicke der NLC-Schicht liegt typischerweise zwischen 100 Metern und 2 Kilometern, wobei häufig auch Doppel- oder Mehrfachschichten beobachtet werden. So können die Forscher durch die Beobachtung von Leuchtenden Nachtwolken dynamische Prozesse in der Mesopausenregion studieren.

Löcher im Wolkenfeld

Eine spannende Entdeckung der zurückliegenden Jahre sind so genannte NLC-Voids: Löcher (englisch: voids) innerhalb eines ausgedehnten Feldes Leuchtender Nachtwolken, in denen keine Eisteilchen existieren. Die Voids haben typische Durchmesser von wenigen zehn bis einigen hundert Kilometern und sind von kreisrunder oder ovaler Form. Sie werden wahrscheinlich von lokalen, nach unten gerichteten vertikalen Winden verursacht. Infolge der Abwärtsbewegung erwärmt sich die Luft, und die vorhandenen Eisteilchen sublimieren.

Heute gibt es ausgedehnte bodengebundene Netzwerke von automatisierten Spiegelreflexkameras, beispielswei-se in Europa, Russland und Japan, mit denen Leuchtende Nachtwolken systematisch überwacht werden – ergänzt durch Beobachtungen zahlreicher Amateurastronomen. Bei der im Juni 2018 vom schwedischen Kiruna aus startenden NASA-Mission PMC-Turbo werden Leuchtende Nachtwolken mit mehreren Kameras an einem 38 Kilometer hoch fliegenden Ballon fotografiert und gleichzeitig mit einem Lidar vermessen. Das Ziel besteht darin, Prozesse zu studieren, die zu Turbulenzen führen. Die Eisteilchen der Wolken fungieren hierbei als so genannte Tracer für die Bewegung von Luftmassen.

Im Unterschied zur Erde, deren Atmosphäre hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff besteht, dominiert in der dünnen Gashülle des Mars das Kohlendioxid. An der kalten Mesopause des Roten Planeten bilden sich daher Kohlendioxidwolken – das Pendant zu unseren Leuchtenden Nachtwolken. Dieses Echtfarbenbild nahm die US-amerikanische Landesonde Mars Pathfinder im August 1997 auf.


IMP Team / JPL /NASA

Hochauflösende Bilder, die in kurzen Abständen von wenigen Sekunden aufgenommen werden, verraten Instabilitäten, wie sie beispielsweise bei der Brechung von Schwerewellen entstehen. Aufnahmen von solch kleinen Wirbeln oder Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten eignen sich, um Modelle zu überprüfen, mit deren Hilfe die Dynamik innerhalb der Mesopausenregion numerisch im Computer untersucht wird. Während die Kameras die Struktur der NLC zweidimensional aufnehmen, liefert das Lidar in Form von vertikalen Dichteprofilen Informationen über die dritte räumliche Dimension – allerdings nur an einem Punkt oder Pixel der Kamerabilder.

An Bord des NASA-Satelliten AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) fliegt bereits eine NLC-Kamera im Erdorbit: das Instrument CIPS (Cloud Imaging and Particle Size Experiment). Beim Flug über die Pole der Erde werden Tag für Tag Bilder zusammengesetzt, die sowohl die Ausdehnung als auch Strukturen innerhalb der Wolken enthüllen. Durch mehrfache Messung bei verschiedenen Streuwinkeln können die Wissenschaftler auch auf die Größe der Partikel schließen. Mit an Bord von AIM befindet sich das Solar Occultation for Ice Experiment (SOFIE), das die Reduktion der Sonnenstrahlung an der Tag-Nacht-Grenze der Erde bestimmt, wo die Sonnenstrahlen unter einem flachen Winkel in die Erdatmosphäre dringen.

Bei sechzehn Wellenlängen werden auf diese Weise vertikale Profile des Temperaturverlaufs und der Extinktion in Leuchtenden Nachtwolken sowie verschiedener anderer Spezies, beispielsweise Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan, aufgenommen. Mit dem schwedischen Mikrosatelliten MATS (Mesospheric Airglow/Aerosol Tomography and Spectroscopy) sollen zukünftig sogar dreidimensionale Aufnahmen von NLC aus der Erdumlaufbahn gelingen.

Über die Erde hinaus

Im Vergleich zu den Pionieren, die im 19. Jahrhundert auf die Beobachtung Leuchtender Nachtwolken mit bloßem Auge angewiesen waren, steht uns heute ein enormes Instrumentarium zur Verfügung. Die dünnen Schleier an der Grenze zum Weltall werden benutzt, um Prozesse auf den unterschiedlichsten Zeitskalen zu untersuchen: vom Klimawandel über Schwerewellen bis hin zu turbulenten Vorgängen. Und auch beim Blick über die Atmosphäre unserer Erde hinaus begegnen uns Leuchtende Nachtwolken. Die Kohlendioxidwolken in der Atmosphäre unseres kosmischen Nachbarn Mars sind das Pendant zu den irdischen NLC (siehe Bild oben). Allerdings sind sie auf dem Roten Planeten ein äquatoriales und kein polares Phänomen. Ebenso wie auf der Erde wird dort die Mesosphäre extrem kalt. Bis zu 100 Kelvin werden erreicht – und auch dort dominieren Schwerewellen und atmosphärische Gezeiten die Dynamik der Atmosphäre.

NATALIE KAIFLER studierte an der Universität Heidelberg Physik. Sie promovierte an der Universität Rostock über Lidar-Beobachtungen von Leuchtenden Nachtwolken. Für das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen entwickelt sie Lidar-Systeme und untersucht damit die Dynamik der mittleren Atmosphäre.

Literaturhinweise

Deland, M. T., Thomas, G. E.: Updated PMC Trends derived from SBUV Data. In: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 120, S. 2140 – 2166, 2015
Fiedler, J., et al.: NLC and the Background Atmosphere above ALOMAR. In: Atmospheric Chemistry and Physics 11, S. 5701 – 5717, 2011
Hervig, M. E., et al.: Interpretation of SOFIE PMC Measurements: Cloud Identification and Derivation of Mass Density, Particle Shape, and Particle Size. In: Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 71, S. 316 – 330, 2009
Jesse, O.: Die Höhe der leuchtenden Nachtwolken. In: Astronomische Nachrichten 140, S. 161 – 168, 1896
Leinert, Chr.: Leuchtende Nachtwolken. In: Sterne und Weltraum 2/1988, S. 86 – 91
Rapp, M., Thomas, G. E.: Modeling the Microphysics of Mesospheric Ice Particles: Assessment of Current Capabilities and Basic Sensitivities. In: Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 68, S. 715 – 744, 2006
Schmidtke, G., Grothues, H.-G.: Hoch über der Erde. Die Messung des Sonnenspektrums im extremen Ultravioletten. In: Sterne und Weltraum 6/2016, S. 22 – 33
Schröder, K.-P.: Leuchtende Nachtwolken: Seltene Grüße aus großer Höhe. In: Sterne und Weltraum 7/2017, S. 40 – 42
Thomas, G. E., et al.: Relation between Increasing Methane and the Presence of Ice Clouds at the Mesopause. In: Nature 338, S. 490 – 492, 1989
Witt, G.: Height, Structure and Displacements of Noctilucent Clouds. In: Tellus 14, S. 1 – 18, 1962

Dieser Artikel und Weblinks im Internet:www.sterne- und-weltraum.de/artikel/ 1560010

IN KÜRZE

■ Leuchtende Nachtwolken entstehen im polaren Sommer in 83 Kilometer Höhe und sind vom Erdboden beobachtbar.
■ Die Eiswolken sind sensitive Indikatoren für Temperatur, Wasserdampf und dynamische Prozesse.
■ Sie werden auf komplexe Weise vom Sonnenwind, Klimawandel und atmosphärischen Wellen beeinflusst.

Die Mikrophysik von Eisteilchen

Die aus Eisteilchen bestehenden Leuchtenden Nachtwolken verraten viel über den physikalischen Zustand der Erdatmosphäre in großer Höhe – denn ihre Entstehung hängt empfindlich von der Temperatur und dem Wasserdampfgehalt ab. Entscheidend für die Bildung der Eisteilchen ist das Wasserdampf-SättigungsverhältnisS . Es gibt das temperaturabhängige Verhältnis des Partialdrucksp H2O von Wasserdampf zum Gleichgewichtsdampfdruckp sat von Wasser über einer Eisoberfläche an:

S =p H2O /p sat (T )

Für Werte vonS > 1 kann sich Eis bilden, fürS < 1 sublimieren die Eisteilchen wieder; das Eis geht dann unmittelbar in die Gasphase über. An der polaren Sommermesopause werdenS -Werte von mehreren hundert bis Millionen erreicht. Hierfür genügen schon geringe Mengen Wasserdampf von wenigen Teilen pro Million, wie sie typischerweise an der Mesopause vorkommen.

Bei extrem niedrigen Temperaturen von weniger als 150 Kelvin können sich Eisteilchen auf bereits vorhandenem Material bilden (siehe Grafik). Forscher gehen heute davon aus, dass diese so genannten Nukleationskeime extraterrestrischen Ursprungs sind. Bei diesen nur wenigen Nanometer großen Teilchen handelt es sich um verdampftes Material von Meteoren, die in die oberen Atmosphärenschichten eingetreten sind (englisch: meteoric smoke particles). Die Eigenschaften von vielen verschiedenen Partikeln mit unterschiedlichen Anteilen von Eisen, Silizium, Magnesium und anderen Elementen werden derzeit in Laborexperimenten untersucht. Als möglicher Kandidat für Nukleationskeime gilt beispielsweise Magnesiowüstit, der in Meteoriten häufig vorkommt. Auf der Erdoberfläche ist er sonst nur selten anzutreffen, weil er hier schnell oxidiert: Es entsteht Rost.

Durch direkte Anlagerung von Wasserdampf auf der Oberfläche der Partikel wachsen die Eisteilchen an. Die genaue Eisstruktur, ob kristallin oder ungeordnet, ist ebenfalls Gegenstand aktueller Untersuchungen. Sicher ist, dass die Teilchen asymmetrische Formen und typische Radien von bis zu 100 Nanometern haben; dies konnte durch die Analyse des an den Teilchen gestreuten Lichts nachgewiesen werden. Eine vollentwickelte Leuchtende Nachtwolke enthält 100 bis 1000 Teilchen pro Kubikzentimeter mit einer Eismasse von maximal 200 Gramm pro Quadratkilometer.

Das Wachstum der Eisteilchen führt zum Verbrauch von Wasserdampf. Gleichzeitig sinken die Teilchen im Schwerefeld der Erde. Steigt dabei die Temperatur und fälltS unter den Wert von eins, so sublimieren die Teilchen, und der Wasserdampf wird wieder freigesetzt. Wasserdampf wird durch diesen Prozess also von oben nach unten umverteilt. Typische Fallgeschwindigkeiten liegen bei einigen Zentimetern pro Sekunde.

Der vertikale Transport durch starke abwärts gerichtete Winde mit Geschwindigkeiten von 5 bis 10 Metern pro Sekunde überwiegt hier jedoch und begrenzt somit die Lebensdauer der Eisteilchen. In horizontaler Richtung werden sie vorwiegend entlang des polaren Breitenkreises transportiert. Jedoch gelangen Leuchtende Nachtwolken durch den Einfluss von größerskaligen Wellen und die Verstärkung der Nord-Süd-Komponente des Windes aus polaren Breiten auch bis in mittlere Breiten.

Natalie Kaifler / SuW-Grafik

Bildung, Wachstum und Sublimation von Eisteilchen an der kalten Sommermesopause: Innerhalb des durch die Kurven begrenzten Höhen-beziehungsweise Temperaturbereichs kann sich Wasserdampf an meteorische Partikel anlagern und zu Eis gefrieren. Die Eisteilchen sedimentieren allmählich, wobei die Dicke ihrer Eisschicht zunimmt. Die größten Eispartikel sind bei Höhen von 80 bis 85 Kilometern möglich – dort, wo wir die Leuchtenden Nachtwolken beobachten. Unterhalb davon sublimiert das Eis wieder zu Wasserdampf.

Lidar-Beobachtungen Leuchtender Nachtwolken

Mit der Erfindung des Lasers im Jahr 1960 wurde erstmals eine leistungsstarke Lichtquelle verfügbar und die Realisierung eines so genannten Lidar möglich. Dieses Akronym steht für Light detection and ranging. Mit einem Lidar werden die Eisteilchen Leuchtender Nachtwolken in 83 Kilometer Höhe aktiv mit einem gepulsten Laser angestrahlt und die Rückstreuung der einzelnen Photonen mit einem Teleskop und entsprechenden Detektoren gemessen (siehe Grafik unten). Die erste Lidar-Messung einer Leuchtenden Nachtwolke gelang im Jahr 1989 in Norwegen.

Wegen der starken Abhängigkeit der Lichtstreuung vom Teilchenradius liegt das interessierende Signal um mehrere Größenordnungen über dem Beitrag des atmosphärischen Hintergrunds. Im Vergleich zu diesem kann die zu messende Helligkeit der Leuchtenden Nachtwolken auf einer absoluten Skala als so genannter Rückstreukoeffizient angegeben werden. Ein bodengebundenes Lidar misst den Koeffizienten in Abhängigkeit von der Höhe und der Zeit. Damit werden vertikale Strukturen innerhalb der Wolke erkennbar, teilweise sogar Doppel- oder Mehrfachschichten. Zudem lassen sich auch vertikale Bewegungen innerhalb der NLC-Schicht oder Veränderungen der Helligkeit oft auf Zeitskalen von wenigen Minuten nachweisen.

Die Wellenlänge des ausgesandten Lichts ist im Prinzip nicht kritisch. Oft wird für NLC-Untersuchungen grünes Licht verwendet, auf Grund der Verfügbarkeit von leistungsstarken Lasern bei der Wellenlänge von 532 Nanometern. Messungen bei mehreren Wellenlängen ermöglichen Rückschlüsse auf die Größe und Form der Teilchen. Am Ort der ersten Messung wurde in den 1990er Jahren das ALOMAR-Observatorium zur Beobachtung von NLC errichtet, von dem der bisher größte Lidar-NLC-Datensatz aufgenommen wurde.

Heute gibt es weltweit mehrere Instrumente, mit denen sich Leuchtende Nachtwolken beobachten lassen. Sie sind nicht kommerziell erhältlich, sondern werden von den Wissenschaftlern selbst gebaut. Moderne Geräte liefern innerhalb weniger Minuten NLC-Profile bei einer Höhenauflösung von etwa 50 Metern.

DLR

Ein Lidar-System, wie das auf dem bayerischen Sulzberg vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) betriebene Instrument CORAL (Compact Rayleigh Autonomous Lidar, unten), arbeitet mit einem grünen Laser, dessen Licht über Umlenkspiegel zu einem Teleskop gelangt. Das nach oben abgestrahlte Licht trifft in großer Höhe auf die nachzuweisenden Eisteilchen. Der von ihnen zurückgestreute Lichtanteil wird vom Teleskop empfangen und mit einer Elektronik gemessen.

Die Rückstreuung des mit einem Lidar-Instrument nach oben gerichteten Lichtstrahls ist in der Höhe der Leuchtenden Nachtwolke am größten. Das dargestellte Rückstreuprofil (ganz oben) und der Höhen-Zeit-Schnitt (oben) wurden in der Nacht vom 18.auf den 19. Juli 2016 mit dem CORAL-Lidar gemessen. Die Farben des Diagramms entsprechen der am Boden gemessenen Intensität des von der Leuchtenden Nachtwolke zurückgestreuten Lichts.

Die Dynamik der mittleren Atmosphäre

Um die Bildung der in Leuchtenden Nachtwolken vorkommenden Eisteilchen bei dem dort geringen Luftdruck zu ermöglichen, muss es extrem kalt sein: In der Höhe der NLC liegt die Grenze bei etwa 150 Kelvin (rund –120 Grad Celsius). Im Sommer ist die polare Mesopausenregion damit der kälteste Ort auf der Erde. Dies ist nicht unmittelbar zu erwarten, denn immerhin scheint dort permanent die Sonne, und somit sollte es eher warm sein. Die extreme Abweichung vom thermischen Gleichgewicht wird durch dynamische Effekte auf globaler Skala verursacht.

Innerhalb einer globalen Zirkulation steigt Luft über dem Sommerpol vom Boden zur Mesopausenregion auf und kühlt dabei ab. In der Mesosphäre wird sie vom Sommer-zum Winterpol transportiert, bevor sie im dortigen Polarwirbel wieder absinkt (siehe Grafik). Dieser globale Zirkulation verursacht die massiven Unterschiede zwischen Winter- und Sommerzustand in der polaren Atmosphäre, die niedrigen Temperaturen an der Sommermesopause sowie die warme Winterstratopause.

Doch was treibt eine solche globale Zirkulation an? Der Schlüssel zum Verständnis der lokalen und globalen Zusammenhänge liegt im Verständnis von so genannten atmosphärischen Schwerewellen. Darunter versteht man durch die Auftriebskraft vermittelte vertikale Schwingungen von Luftpaketen. Der Motor der Zirkulation befindet sich nun genau dort, wo Leuchtende Nachtwolken entstehen, nämlich an der polaren Sommermesopause – denn gerade in dieser Region sind die Windverhältnisse für die vertikale Fortpflanzung von Schwerewellen ungünstig: Die Wellen brechen in dieser Höhe und hinterlassen hier große Mengen an Energie und Impuls, welche die globale Zirkulation antreiben.

Die wichtigsten Quellen von Schwerewellen befinden sich in der Troposphäre. Beispielsweise geraten Luftmassen, die über Berge bewegt werden, in Schwingungen, wobei Gebirgswellen (englisch: Mountain waves) entstehen. Sie stellen eine spezielle Art von Schwerewellen dar. Weitere Quellen sind Gewitterwolken oder das Mäandern des troposphärischen Jetstreams – ein schneller, von Ost nach West verlaufender Luftstrom, der ständig seine Lage verändert.

Vielfältige Wechselwirkungen

Die besondere Bedeutung von Schwerewellen für die Atmosphäre liegt nun in der mit der Höhe abnehmenden Luftdichte. Da die Masse der Luft bei gleichem Volumen mit zunehmender Höhe wegen des geringer werdenden Luftdrucks abnimmt, muss aus Gründen der Energieerhaltung die Amplitude der Wellen mit zunehmender Höhe anwachsen. Damit kommt es zu der ungewöhnlichen Situation, dass sich eine lokale Störung mit wachsender Entfernung zur Quelle verstärkt.

Typische Längenskalen solcher Wellen liegen zwischen 2 und 20 Kilometer in vertikaler Richtung, die Perioden betragen 5 Minuten bis 17 Stunden. Die horizontalen Wellenlängen liegen zwischen fünf Kilometern und einigen hundert Kilometern. Während der Ausbreitung durch die Atmosphäre treten solche Wellenpakete in vielfältiger Weise mit dem Hintergrundwind und mit anderen Wellenpaketen in Wechselwirkung, so dass sich in der Realität oft ein sehr komplexes Gesamtbild ergibt.

Erreichen die Wellen die Mesopausenregion, dann ist die von ihnen verursachte Temperaturstörung teilweise auf mehr als 30 Kelvin angewachsen, und die Wellen brechen. Bei diesem Vorgang wird in einer Kaskade Energie zu kleineren Skalen hin transportiert, kinetische Energie in Wärme umgewandelt und Impuls abgelagert. Gleichzeitig werden kleinskalige Prozesse direkt durch die erzeugten Strukturen in der Eisschicht abgebildet – und sind damit für uns am Himmel sichtbar.

In der Mesopausenregion brechende Schwerewellen (obere helle Zone) treiben die globale atmosphärische Zirkulation (Pfeile) an. Im Sommer steigt über dem Pol Luft auf und kühlt sich dabei stark ab. Dabei werden an der Mesopause extrem niedrige Temperaturen erreicht.


Heiko Ulbricht