Die neutrale Dynamik in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT, 60–110 km Höhe) erstreckt sich über ein breites Spektrum räumlicher Skalen. Auf planetaren Skalen können starke Veränderungen des stratosphärischen Polarwirbels bis in die MLT hineinwirken. Dort verändern sie Amplitude und Phase der solaren Gezeiten und beeinflussen die saisonale Entwicklung der Hintergrundwinde (siehe Conte et al., 2019). Solche großskaligen Dynamiken wirken sich wiederum darauf aus, wie kleinskaligere Bewegungen entstehen, sich ausbreiten und ihre Energie verlieren. 

Mesoskalige Dynamik in der MLT umfasst Windschwankungen mit horizontalen Ausdehnungen von einigen zehn bis etwa 1.000 km. Obwohl diese Prozesse sowohl für die globale als auch für die regionale Struktur der Atmosphäre von zentraler Bedeutung sind, wurden sie lange Zeit nur unzureichend untersucht.

Neue Erkenntnisse stammen aus Beobachtungen mit SIMONe-Radarsystemen. Sie zeigen, dass mesoskalige Bewegungen in hohen Breiten mindestens 25 % der gesamten kinetischen Energie der neutralen Winde beitragen. Da diese Abschätzung jedoch nur Skalen oberhalb von etwa 400 km berücksichtigt, ist davon auszugehen, dass der tatsächliche Energieanteil vermutlich noch höher liegt.

Um Mesoskalen unterhalb von 400 km aufzulösen und das atmosphärische Energiespektrum genauer zu erfassen, sind fortgeschrittene Auswertemethoden wie die Wind Field Correlation Function Inversion (WCFI) (Vierinen et al., 2019) unerlässlich. WCFI nutzt Paare von Dopplerverschiebungsmessungen, um räumliche und zeitliche Korrelationen von Windschwankungen zu bestimmen. Darüber hinaus lassen sich Korrelationen von Divergenz und Vortizität ableiten, die entscheidend sind, um Schwerewellen von stark geschichteter Turbulenz zu unterscheiden.

Zusätzlich liefert WCFI Abschätzungen der Energiedissipationsrate (ε) und beschreibt damit, wie Energie zu kleineren Skalen weitergegeben wird. Diese Ergebnisse ergänzen In-situ-Messungen mit Höhenforschungsraketen sowie Fernerkundungsbeobachtungen mit Radarsystemen wie MAARSY und tragen wesentlich zu einem vertieften Verständnis der Energiedynamik in der oberen Atmosphäre bei.

Die Atmosphäre ist eine dünne gasförmige Hülle, die die Erde umgibt und das Leben vor schädlicher solarer und extraterrestrischer Strahlung schützt. Sie bildet ein dynamisch gekoppeltes System, in dem die verschiedenen Atmosphärenschichten miteinander wechselwirken. Diese Kopplung erfolgt über Wellenprozesse, den vertikalen Transport aus tieferen Schichten sowie durch solare Einstrahlung und Teilchenpräzipitation aus dem Weltraum.

Antriebe aus der unteren Atmosphäre beeinflussen die Mesosphäre und untere Thermosphäre (MLT-Region) besonders stark in niedrigen und mittleren Breiten. Vertikal propagierende Schwerewellen, atmosphärische Gezeiten und planetare Wellen übernehmen dabei eine Schlüsselrolle: Sie transportieren Energie und Impuls aus ihren Entstehungsregionen in größere Höhen, wo sie schließlich dissipieren.

Auch kurzzeitige, impulsartige Ereignisse mit Zeitspannen von wenigen Stunden bis zu mehreren Wochen können die MLT-Region und die Ionosphäre erheblich beeinflussen. Dazu zählen Erdbeben, Vulkanausbrüche, schwere meteorologische Stürme, plötzliche stratosphärische Erwärmungen (Sudden Stratospheric Warmings, SSWs) sowie die Variabilität des Polarwirbels. Diese Effekte entstehen durch die Erzeugung oder Modulation atmosphärischer Wellen, aber auch durch den Eintrag von Asche und komplexen chemischen Substanzen in die Stratosphäre.

Darüber hinaus wirken sich längerfristige Oszillationen in Troposphäre und Stratosphäre auf die MLT-Region aus. Beispiele hierfür sind die Madden–Julian-Oszillation (MJO, 30–60 Tage), die quasi-biennale Oszillation (QBO, 22–32 Monate) und die El-Niño–Southern Oscillation (ENSO, Auftreten alle 3–5 Jahre). Sie beeinflussen die Erzeugung und Ausbreitung atmosphärischer Wellen und damit die Dynamik der mittleren und unteren Thermosphäre (MLT-Region). Die zugrunde liegenden Kopplungsprozesse sind jedoch bislang noch nicht vollständig verstanden.

Am IAP werden diese vertikalen Kopplungsprozesse mit einer einzigartigen Kombination aus Beobachtungsinstrumenten untersucht. Dazu zählen sieben weltweit eingesetzte SIMONe-Radarsysteme, zwei Partialreflexionsradare, ein MST-Radar sowie ein optischer Airglow-Imager. In enger Zusammenarbeit mit internationalen Partnern bieten diese Messsysteme einen umfassenden Rahmen zur Erforschung der globalen Kopplung und Variabilität der Atmosphäre.

Die Untersuchung langfristiger Trends in der Erdatmosphäre ist entscheidend, um grundlegende physikalische Zusammenhänge besser zu verstehen und mögliche anthropogene Einflüsse verlässlich zu identifizieren. Ein zentrales Ziel dieser Forschung ist es, langfristige Veränderungen von natürlichen Schwankungen zu unterscheiden, etwa von Variationen, die durch den 11-jährigen Sonnenzyklus verursacht werden. Studien zeigen, dass steigende Treibhausgaskonzentrationen zu einer Erwärmung der unteren Atmosphäre führen, während sie in der mittleren und oberen Atmosphäre eine Abkühlung bewirken.

Zur Analyse dieser Effekte und ihrer Auswirkungen auf Mesosphäre und Ionosphäre betreibt das IAP seit Mitte 1957 eines der weltweit am längsten kontinuierlich laufenden Funkmesssysteme: eine Ionosonde. Ergänzend werden seit 1959 standardisierte Phasenhöhenmessungen durchgeführt. Die Auswertung dieser langjährigen Beobachtungen deutet darauf hin, dass sich die mittlere Atmosphäre abkühlt und zusammenzieht. Die genauen Ursachen dieser Veränderungen sind jedoch bislang noch nicht genau quantifiziert.

Darüber hinaus betreibt das IAP leistungsstarke Hochfrequenzradarsysteme, bekannt als MAARSY und OSWIN. Mit diesen Instrumenten lassen sich polare mesospherische Sommer-Echos (Polar Mesospheric Summer Echoes, PMSE) sowie polare mesospherische Winter-Echos (Polar Mesospheric Winter Echoes, PMWE) untersuchen. Das Auftreten dieser Echos hängt von Parametern wie Ionisation, Temperatur, Wasserdampfgehalt und Turbulenz in der Mesopausenregion ab. Dadurch eignen sie sich als potenzielle Indikatoren für Veränderungen in der Mesosphäre, die mit dem Klimawandel in Zusammenhang stehen.

Die langfristigen Beobachtungen am IAP werden zudem durch weitere Radarsysteme ergänzt, darunter Meteorradare und Partialreflexionsradare. Mit diesen Systemen lassen sich neutrale Winde in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT-Region) abschätzen. Da sie bereits seit mindestens zwei Sonnenzyklen in Betrieb sind, stellen ihre Datensätze eine wertvolle Grundlage dar, um langfristige Veränderungen der mesospherischen Windfelder zu untersuchen.

Viele der vom Fachbereich Radarsondierungen am IAP eingesetzten Messtechniken beruhen auf den Wechselwirkungen zwischen der geladenen und der neutralen Atmosphäre in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT). Die geladene Atmosphäre verursacht lokale Veränderungen des Brechungsindex, die zur Streuung von Radiowellen führen und damit Rückschlüsse auf zugrunde liegende atmosphärische Prozesse erlauben.

In der MLT-Region sind geladene und neutrale Atmosphäre aufgrund hoher Kollisionsraten eng miteinander gekoppelt und bewegen sich weitgehend gemeinsam. Diese starke Kopplung ermöglicht es, Winde und dynamische Prozesse der neutralen Atmosphäre indirekt durch Radarmessungen der geladenen Komponente zu bestimmen. Dazu zählen Messungen ionisierter Meteorspuren mit den SIMONe-Systemen, Beobachtungen polarer mesospherischer Echos mit MST-Radaren sowie Bestimmungen mesospherischer Winde mit Partiellen-Relexions-Radaren. Die notwendige Ionisation entsteht unter anderem durch Meteorablation, solare Photoionisation oder durch Teilchenpräzipitation in hohen Breiten, etwa im Zusammenhang mit Polarlichtern (Aurora borealis und australis). Darüber hinaus lassen sich aus der Bestimmung ionisierter Meteorspuren Diffusionsraten ableiten, die Rückschlüsse auf die Temperatur in der MLT-Region erlauben.

In Höhen oberhalb von etwa 100 km ändert sich die Kopplung zwischen geladener und neutraler Atmosphäre. Elektronen werden zunehmend von elektromagnetischen Kräften bestimmt, da das Verhältnis von Kollisionsrate zu Gyrofrequenz abnimmt, während Ionen weiterhin nicht magnetisiert sind und der Bewegung der neutralen Atmosphäre folgen. Diese unterschiedliche Dynamik der geladenen Teilchen führt zur Ausbildung elektrischer Ströme.

In Höhen von etwa 100–150 km können magnetosphärische Ströme, die durch präzipitierende geladene Teilchen erzeugt werden, ihren Stromkreis schließen. Die dabei entstehenden elektrischen Felder können sehr stark sein und durch Reibung zwischen geladenen und neutralen Teilchen zu einer deutlichen Aufheizung der Atmosphäre führen. Dieser Prozess stellt einen wichtigen Mechanismus dar, über den Energie aus dem Sonnenwind in die Erdatmosphäre eingetragen wird. Zusätzlich bestimmen in niedrigen Breiten weitere Prozesse die ionosphärische Dynamik, etwa der äquatoriale Elektrojet und der äquatoriale Fontäneneffekt, die durch solare Erwärmung und die Kopplung zwischen neutraler und geladener Atmosphäre angetrieben werden.

Turbulenz, die durch ionosphärische Ströme verursacht wird, kann sowohl in äquatorialen Regionen als auch in hohen Breiten mit den SIMONe-Meteorradarsystemen nachgewiesen werden. Die Plasmadichte der D-Region-Ionosphäre lässt sich mithilfe von Partiellen-Reflexions-Radaren bestimmen. Darüber hinaus betreibt das IAP eine Ionosonde, mit der bodengebundene Messungen der ionosphärischen Plasmadichte bis in Höhen von etwa 250 km möglich sind.

Radio Science umfasst eine Vielzahl von Methoden und Techniken, die in unseren Untersuchungen der Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT) eingesetzt werden. Ihr Ziel ist es, einzelne Messungen entweder überhaupt erst zu ermöglichen oder zu verbessern.

Viele Beobachtungen lassen sich zwar mit kommerziellen Radar- und Funksystemen durchführen, doch mithilfe spezieller Radio-Science-Techniken können Genauigkeit, Präzision sowie räumliche und zeitliche Auflösung erheblich gesteigert werden. Dies gilt insbesondere für die einzigartigen Instrumente des IAP, wie die Radare MAARSY und Saura sowie für das MMARIA-Konzept einschließlich der spekularen Meteorradarnetzwerke SIMONe.

Die Radio-Science-Aktivitäten am IAP umfassen unter anderem:

1. Antennendesign und -tests sowie passive und aktive Kalibrierexperimente der Radare,

2. Entwurf und Entwicklung von Empfangs- und Radarerfassungssystemen, etwa des Systems SANDRA,

3. Implementierung von Pulskompression sowie Multi-Puls- und Multi-Frequenz-Schemata, 

4. Anwendung der magnetoionischen Theorie zur Ableitung von z. B. Elektronendichten der D-Region aus Faraday-Rotations- und Absorptionsmessungen und/oder Riometer-Beobachtungen,

5. räumliche sowie frequenzdomänenbasierte Radarbildgebungstechniken.

Mit den jüngsten technologischen Fortschritten, darunter nahezu kontinuierliche zeitliche Abtastung an mehreren Empfangsantennen sowie flexibel variierbare Radarimpulse in Phase und Amplitude, wächst auch die Bedeutung robuster Inversionsmethoden. Diese sind notwendig, um aus den Messdaten verlässliche physikalische Größen abzuleiten, etwa mithilfe von Vorwärts- oder Rückwärtsstreumodellen und Verfahren wie der Maximum-Entropie-Methode in der Radarbildgebung.

Die jüngste Anwendung bi- und multistatischer Messungen erweitert die Beobachtungsgeometrien der untersuchten Ziele in der MLT-Region. Dadurch können bisherige Annahmen in den Messkonzepten teilweise gelockert und neue Einblicke in die zugrunde liegenden Prozesse gewonnen werden. Voraussetzung hierfür sind eine hochpräzise Zeitmessung und Synchronisation sowie eine sorgfältige Kalibrierung, um Radarechos korrekt zuzuordnen und räumlich abzubilden.