Abteilung Radarsondierungen

Moderne digitale Radarsysteme, die im Frequenzbereich zwischen 40 und 55 Megahertz arbeiten, werden am IAP eingesetzt, um dynamische Prozesse in der mittleren und unteren Atmosphäre zu untersuchen. Da diese Radare Signale aus Höhen von etwa 1 Kilometer bis weit über 100 Kilometer erfassen können, werden sie als MST-Radare bezeichnet, eine Abkürzung für Mesosphäre, Stratosphäre und Troposphäre.

MST-Radare arbeiten mit sehr hohen Sendeleistungen, die von mehreren zehn Kilowatt bis hin zu nahezu einem Megawatt reichen. Sie sind für einen automatisierten, kontinuierlichen Betrieb ausgelegt und liefern ganzjährig Messdaten aus Höhen zwischen etwa 1 und 20 Kilometern. Aus den empfangenen Radarsignalen lassen sich unter anderem dreidimensionale Windfelder, Informationen zur Radarreflektivität sowie Hinweise auf atmosphärische Turbulenz ableiten. Dazu werden etablierte Auswerteverfahren wie das sogenannte Doppler-Beam-Swinging-Verfahren sowie interferometrische Methoden eingesetzt.

Unter besonderen atmosphärischen Bedingungen können MST-Radare auch Signale aus der Mesosphäre erfassen, sowohl in den Sommer- als auch in den Wintermonaten. Die Untersuchung dieser sogenannten (polaren) mesospherischen Echos (PME) ist eines der zentralen Einsatzgebiete der MST-Radare am IAP. Dazu gehören das OSWIN-Radar in Kühlungsborn sowie das MAARSY-Radar auf der nordnorwegischen Insel Andøya. Diese Echos dienen als indirekte Marker für die Dynamik der neutralen Atmosphäre, da geladene und ungeladene Bestandteile der Atmosphäre in diesem Höhenbereich eng miteinander gekoppelt sind.

Aktuell erweitert das IAP den Betrieb des MAARSY-Radars um zwei zusätzliche, räumlich getrennte Empfangsstandorte. Dadurch wird es möglich, vollständige dreidimensionale Geschwindigkeitsvektoren mesospherischer Sommer-Echos (PMSE) zu bestimmen. Die daraus entstehenden Datensätze umfassen insgesamt sieben Dimensionen – drei Raumrichtungen, drei Geschwindigkeitskomponenten und die Zeit – und erlauben detaillierte Untersuchungen von Winden und Turbulenz in der Mesosphäre mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.

Abteilung Radarsondierungen

Ein multistatisches Meteor-Radar ist ein Zusammenschluss mehrerer Meteor-Radarsysteme, die an unterschiedlichen Standorten betrieben werden, aber zeitlich exakt aufeinander abgestimmt sind. Durch die gemeinsame Auswertung ihrer Messungen kann dasselbe Volumen der Atmosphäre aus verschiedenen Blickrichtungen beobachtet werden. Auf diese Weise lassen sich Winde in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT) deutlich genauer und umfassender untersuchen als mit einzelnen Radarsystemen.

Dieses Konzept wurde am Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik unter dem Namen MMARIA (Multistatic Multifrequency Agile Radar for Investigations of the Atmosphere) entwickelt. Einen weiteren Fortschritt stellt SIMONe (Spread-spectrum Interferometric multistatic Meteor radar Observing Network) dar. Dieses System vermeidet Mehrdeutigkeiten bei der Reichweite durch den Einsatz von codierten kontinuierlichen Radarwellen. Darüber hinaus sind SIMONe-Systeme kostengünstiger sowie einfacher aufzubauen und zu erweitern als klassische Meteor-Radarsysteme.

Dank der großen Anzahl an Detektionen und der multistatischen Konfiguration sind SIMONe-Systeme in der Lage, Winddivergenz und Wirbelstärke (Vortizität) darzustellen, Energiekaskaden von planetaren bis zu mesoskaligen Größenordnungen zu bestimmen und sogar Dissipationsraten mesoskaliger Turbulenz abzuschätzen.

SIMONe wurde erstmals im Jahr 2018 in Deutschland im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen dem IAP, dem MIT Haystack Observatory und der UiT – The Arctic University of Norway getestet. Seitdem wurde das Netzwerk auf Standorte in Südamerika, Norwegen und den Vereinigten Staaten ausgeweitet. Die Netzwerke arbeiten in SIMO-, MISO- oder MIMO-Konfigurationen, wobei SIMONe Deutschland und SIMONe Norwegen die weltweit ersten vollständig im MIMO-Modus betriebenen Meteor-Radar-Netzwerke sind.

Mit den stetig wachsenden Datensätzen ermöglicht der Einsatz von physik-informiertem maschinellem Lernen inzwischen einen weiteren Schritt: die Ableitung hochaufgelöster dreidimensionaler Windfelder. Diese liefern einen bislang einzigartigen Einblick in die Bewegung und Entwicklung der oberen Atmosphäre. Stündliche Windmittelwerte aus diesen Systemen sind frei über die Madrigal-Datenbanken verfügbar.

Abteilung Radarsondierungen

Das IAP untersucht seit mehr als 30 Jahren mit sogenannten Partielle-Reflexion-Radaren (PRR) den untersten Bereich der Ionosphäre. Diese Radarsysteme arbeiten typischerweise im Frequenzbereich zwischen 2 und 3 MHz und ermöglichen eine kontinuierliche Beobachtung der Mesosphäre und unteren Thermosphäre. Die Messungen beruhen darauf, dass ein Teil der ausgesendeten Radiowellen an relativ scharfen Grenze zwischen unterschiedlichen Brechungsindizes (Elektronendichte der Ionosphäre) reflektieren.

Die häufigste Verwendung dieser Radargeräte ist die Messung von Winden in der Mesosphäre in einer Höhe von etwa 60 km bis 100 km. Zwei relativ große und flexible PRR-Systeme werden in Nordnorwegen (Saura) und Norddeutschland (Juliusruh) betrieben.

Zur Bestimmung der Windgeschwindigkeiten kommen unterschiedliche Messverfahren zum Einsatz. Dazu zählen Methoden mit räumlich getrennten Antennen, bei denen die an einzelnen Antennen empfangenen Radarsignale verglichen werden, sowie das Doppler-Beam-Swinging-Verfahren. Bei letzterem wird ein symmetrisches Antennenfeld genutzt, um Radarechos aus verschiedenen Richtungen zu empfangen. Aus den gemessenen Geschwindigkeitskomponenten entlang der jeweiligen Sichtlinien lassen sich, unter der Annahme gleichmäßiger Bedingungen im untersuchten Volumen, sowohl horizontale als auch vertikale Windkomponenten berechnen.

Alternativ können die genauen Positionen der Strukturen mithilfe interferometrischer Verfahren bestimmt werden. Dabei werden in der Regel drei oder vier Antennen eingesetzt, um den Ursprungsort der Echos für jede Doppler-Verschiebung zu lokalisieren. Die gemessenen radialen Geschwindigkeiten lassen sich anschließend in horizontale und vertikale Windbewegungen umrechnen. Dieses Verfahren wird als Imaging-Doppler-Interferometrie bezeichnet.

Beide PRR-Systeme führen abwechselnd Beobachtungen mit links- und rechtszirkularer Polarisation durch, was die Messung der differentiellen Absorption und der differentiellen Faraday-Rotation ermöglicht. Aus diesen Messungen wird die Elektronendichte der D-Region der Ionosphäre abgeleitet.

Neben der Untersuchung besonderer Ereignisse in der unteren Ionosphäre haben sich diese Systeme seit bereits mehr als zwei Sonnenzyklen als sehr wertvoll für die Langzeitüberwachung der Mesosphäre und unteren Thermosphäre erwiesen.

Abteilung Radarsondierungen

Das LoLa-Projekt wird vom Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) in Deutschland koordiniert und widmet sich dem Aufbau und der Weiterentwicklung von Radarsystemen zur Beobachtung der Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT). Zum Einsatz kommen dabei unter anderem spekulare Meteor-Radare sowie Partial-Reflection-Radare. Die Radare werden gezielt an ausgewählten Längengraden installiert, überwiegend in einem Bereich von etwa ±17 Grad um den geografischen Äquator.

Ziel von LoLa ist es, kurzfristige Veränderungen großräumiger atmosphärischer Wellen und Gezeiten in der MLT-Region in niedrigen Breiten zu untersuchen. Diese Wellen sind ein wichtiger Bestandteil der atmosphärischen Dynamik und verbinden Prozesse aus der Wetterzone der Erde mit Vorgängen im erdnahen Weltraum. Besonders in äquatorialen Regionen spielt diese Kopplung eine zentrale Rolle. Darüber hinaus liefern Windmessungen in der MLT mit Radaren wichtige Informationen für die Verbesserung globaler Zirkulationsmodelle, die Höhen oberhalb von 80 Kilometern berücksichtigen. Solche verbesserten Modelle können langfristig zu genaueren Wettervorhersagen beitragen und deren Vorhersagezeitraum von wenigen Tagen auf mehrere Wochen erweitern.

Ein vertieftes Verständnis der Dynamik in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre ist außerdem entscheidend, um die elektrodynamischen Prozesse in der Ionosphäre besser zu beschreiben. Diese Prozesse beeinflussen das sogenannte ionosphärische Wetter, das insbesondere in niedrigen Breiten direkte Auswirkungen auf Navigations- und Kommunikationssysteme hat.

Das LoLa-Netzwerk umfasst sowohl Radarsysteme, die direkt vom IAP betrieben werden, als auch Anlagen von internationalen Partnern. Einige dieser Partner betreiben bereits seit längerem Radare in äquatorialen oder niedrigen Breiten oder haben in der Vergangenheit entsprechende Systeme eingesetzt. Das IAP arbeitet eng mit diesen Partnern zusammen, um das Netzwerk kontinuierlich auszubauen und die internationale Zusammenarbeit zu stärken.

Ergänzt werden die bodengebundenen Radarobservierungen durch Satellitendaten, unter anderem von den Instrumenten MIGHTI und TIDI. Zusätzlich kommen mathematische Analyseverfahren wie Hough-Funktionen sowie Simulationen mit globalen Zirkulationsmodellen zum Einsatz. Die Kombination all dieser Datenquellen ermöglicht ein umfassendes und zusammenhängendes Bild der Dynamik in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre.

Abteilung Radarsondierungen

Die Ionosonde Juliusruh auf der Insel Rügen ist eine seit vielen Jahrzehnten betriebene Forschungseinrichtung zur kontinuierlichen Beobachtung der Ionosphäre, einer elektrisch geladenen Schicht der oberen Atmosphäre. Eine Ionosonde funktioniert ähnlich wie ein senkrecht nach oben gerichtetes Radarsystem: Sie sendet Radiopulse in die Atmosphäre und misst die Echos, die von verschiedenen ionosphärischen Schichten zurückgeworfen werden.

Aus diesen Messungen entstehen sogenannte Ionogramme. Sie zeigen, wie sich die Elektronendichte mit der Höhe verändert, und liefern wichtige Informationen über den Aufbau und die zeitliche Entwicklung der Ionosphäre. Die in Juliusruh gewonnenen Daten werden in internationale Beobachtungsnetzwerke eingebunden und tragen zu umfangreichen Langzeitdatensätzen bei.

Diese Langzeitbeobachtungen sind von großer Bedeutung für das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Sonne und Erde sowie für die Erforschung von Weltraumwetterphänomenen. Solche Prozesse können die Ausbreitung von Funkwellen beeinflussen und damit Auswirkungen auf globale Kommunikationssysteme haben. Die Messungen der Ionosonde Juliusruh unterstützen daher unter anderem die Entwicklung von Modellen zur Funkwellenausbreitung, zur Zuverlässigkeit satellitengestützter Navigationssysteme und zur Bewertung der Auswirkungen geomagnetischer Stürme.

Durch ihren jahrzehntelangen, kontinuierlichen Betrieb leistet die Ionosonde Juliusruh sowohl einen wichtigen Beitrag zur grundlegenden geophysikalischen Forschung als auch zu anwendungsorientierten Fragestellungen. Sie stellt damit eine wertvolle Ressource für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie für Ingenieurinnen und Ingenieure weltweit dar.

Die Ionosonde Juliusruh war/ist Teil mehrerer wissenschaftlicher und anwendungsbezogener Projekte:

• 1994 bis heute: Radio-Wetter / HF-Ausbreitungsvorhersagen
• 2023–2024: T-FORS-System zur Vorhersage wandernder ionosphärischer Störungen (EU)
• 2017–2020: TechTIDE-Technologien zur Warnung und Eindämmung der Auswirkungen wandernder ionosphärischer Störungen (EU-H2020, TechTIDE)
• 2014–2017: Net-TIDE-Pilotnetzwerk zur Identifizierung wandernder ionosphärischer Störungen https://sites.google.com/site/spsionosphere/about-the-project

Technische Spezifikationen:

Abteilung Optische Sondierungen und Höhenforschungsraketen und Abteilung Radarsondierungen

Polarlichter treten hauptsächlich in hohen geomagnetischen Breiten (etwa 65°–75°) auf. Sie entstehen, wenn geladene Teilchen wie Elektronen und Protonen aus dem Weltraum mit Bestandteilen der Erdatmosphäre, zum Beispiel Sauerstoff- und Stickstoffatomen oder -molekülen, wechselwirken. Diese Erscheinungen sind räumlich begrenzt und zeitlich sehr variabel. Airglow hingegen ist ein regelmäßiges Phänomen, das vor allem in niedrigen und mittleren Breiten beobachtet wird. Es entsteht durch Atome und Moleküle, die in der oberen Atmosphäre durch chemische Reaktionen angeregt werden. Wenn diese angeregten Teilchen wieder in ihren Grundzustand zurückkehren, geben sie überschüssige Energie in Form von Lichtteilchen (Photonen) ab.

Die einzelnen Emissionen stammen aus unterschiedlichen Höhen, da die zugrunde liegenden Prozesse je nach Teilchenart verschieden lange dauern. Typische Höhenbereiche der maximalen Leuchterscheinungen liegen bei etwa 85 Kilometern für Hydroxyl (OH), 92 Kilometern für molekularen Stickstoff (N₂), 94 Kilometern für molekularen Sauerstoff (O₂), 97 Kilometern für die grüne Linie des atomaren Sauerstoffs (O(¹S)) und bei etwa 250 Kilometern für die rote Linie des atomaren Sauerstoffs (O(¹D)).

Seit Dezember 2016 wird am IAP in Kühlungsborn ein optischer Airglow-Imager betrieben. Das Instrument ist mit einem Breitbandfilter im Wellenlängenbereich von 695 bis 1050 Nanometern für OH-Emissionen ausgestattet sowie mit schmalbandigen Filtern bei 589,3 Nanometern (Natrium), 866,0 Nanometern (O₂), 557,7 Nanometern (O(¹S)) und 630,0 Nanometern (O(¹D)). Zusätzlich wird ein Filter bei 605,0 Nanometern eingesetzt, um den Hintergrund der OH-Emissionen zu erfassen. Aufgrund der geografischen Lage des Standorts können bei starker geomagnetischer Aktivität auch Polarlichtemissionen beobachtet werden.

Die kontinuierlichen Messungen mit dem All-Sky-Airglow-Imager ermöglichen es, atmosphärische Wellen zu untersuchen und die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Schichten der Atmosphäre besser zu verstehen.

Abteilung Radarsondierungen

Das Magnetometer JRU in Juliusruh auf der Insel Rügen ist ein geophysikalisches Messinstrument, mit dem Veränderungen des Erdmagnetfeldes kontinuierlich aufgezeichnet werden. Es ist Teil internationaler Beobachtungsstationen und Datennetzwerke und liefert hochaufgelöste Messdaten, die für die Überwachung der geomagnetischen Aktivität von großer Bedeutung sind.

Magnetometer messen feine Schwankungen des Erdmagnetfeldes, die entstehen, wenn der Sonnenwind – ein Strom geladener Teilchen von der Sonne – mit dem magnetischen Schutzschild der Erde, der sogenannten Magnetosphäre, wechselwirkt. Solche Schwankungen sind typische Anzeichen von Weltraumwetterereignissen, zum Beispiel geomagnetischen Stürmen. Diese können technische Systeme beeinflussen, darunter Satelliten, Navigationssysteme und sogar Stromnetze.

Das Magnetometer in Juliusruh leistet sowohl für regionale als auch für globale Studien zur geomagnetischen Aktivität einen wichtigen Beitrag. Die über viele Jahre hinweg aufgezeichneten Messreihen helfen dabei, die Wechselwirkungen zwischen Sonne und Erde besser zu verstehen, langfristige Veränderungen des Erdmagnetfeldes zu untersuchen und aktuelle Weltraumwettersituationen zu überwachen. Die Daten werden in internationale Datenbanken eingespeist, stehen der wissenschaftlichen Gemeinschaft frei zur Verfügung und werden zur Überprüfung und Verbesserung von Modellen geomagnetischer Störungen genutzt.

Dank seines zuverlässigen Dauerbetriebs liefert das JRU-Magnetometer wertvolle Informationen für die geophysikalische Grundlagenforschung ebenso wie für praktische Anwendungen. Dazu gehören Technologien, die auf eine stabile und gut vorhersagbare magnetische Umgebung angewiesen sind.

Mit dem Betrieb dieses Magnetometers trägt das IAP außerdem zum internationalen Netzwerk SuperMAG bei, das weltweite Magnetometerdaten zusammenführt und für Forschung und Weltraumwetterdienste bereitstellt: https://supermag.jhuapl.edu/