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L e u c h t e n d e   N a c h t w o l k e n   u n d   „P M S E“

 
von Stephan BRÜGGER und Olaf SQUARRA

Über die leuchtenden Nachtwolken wird relativ regelmäßig auch in astronomischen Zeitschriften berichtet [z.B. 1,2,3]. Sie sind zwar kein astronomisches Phänomen, doch treffen sie gerne das Auge des nächtlichen Himmelsbeobachters. Es handelt sich um faszinierende Wolkenerscheinungen im Bereich der sommerlichen Mesosphäre / Mesopause in durchschnittlich 83 km über Grund. Insbesondere lassen sie sich mit Glück etwa von Norddeutschland aus während der Zeiten der Mitternachtsdämmerung etwa im Sektor NW-NE beobachten. Im Englischen wird der Begriff Noctilucent Clouds (NLC) verwendet. Mitunter tritt noch ein weiterer Begriff auf: Polar Mesospheric Clouds (PMC). Im Wesentlichen sind PMC die gleichen Erscheinungen wie NLC – allerdings vom All aus betrachtet (quasi “NLC von oben her” beobachtet). Es gibt aber auch Forscher, welche den Begriff PMC ganz allgemein verwenden. 

NLC 03./04.07.2004
Sehr markante leuchtende Nachtwolken am 03./04.07.2004 (Rostock)

In diesem Beitrag gilt es, die Möglichkeit zu prüfen, ob Internet-Echtzeit-Daten von Meßstationen eine Hilfe in der Beobachtungsplanung sein können.

Bereits in den Jahren 2001 und 2002 sind von einem der Autoren (O. Squarra) einige Echtzeitdaten sporadisch unter die Lupe genommen worden. Es fanden sich aktuelle Lidar- und Radarmessungen im Internet. Mit einem Lidar (LIght Detection And Ranging) können NLC direkt detektiert werden. Zu berücksichtigen ist, daß mit einem Lidar gemessene NLC noch nicht zwangsläufig mit bloßem Auge erkennbar sind, da die Größe und Dichte der Partikel dafür noch zu gering sein kann. Für eine visuelle Beobachtung vom Boden aus, sollten die Radien der Eisteilchen größer als ca. 20 nm sein. Von besonderem Interesse sind auch VHF (Very High Frequency)-Radare [z.B. namens ALWIN in Andenes und OSWIN in Kühlungsborn]. Diese sind in den Sommermonaten in der Lage, Echos aus einem Höhenbereich von etwa 82 bis 90 km zu empfangen. Polare Mesosphärische Sommer Echos (PMSE) und NLC werden häufig (aber nicht immer!) gleichzeitig und in gleicher Höhe beobachtet, wobei die Messverfahren (Radar und Lidar) und die jeweiligen Rückstreumechanismen unterschiedlich sind. Bezüglich technischer Einzelheiten und Informationen zu den Forschungsstandorten möchten wir auf das Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik e.V. (IAP) und deren Website verweisen [4]. Das IAP ist eine führende Institution in Sachen NLC- und PMSE- bzw. MSE-Forschung mit Sitz in Kühlungsborn an der Ostsee.

PMSE treten nur im Sommer und nur in der Nähe der sehr kalten Mesopause mit Temperaturen unterhalb von 150 K auf. Deshalb wurde schon früh vermutet, daß sie im Zusammenhang mit Eisteilchen stehen, die sich in der höheren Atmosphäre nur dort bilden können. Trotz der engen Zusammenhänge ist das Vorhandensein von (P)MSE nicht direkt mit der Existenz von NLC gleichzusetzen. Der mittlere PMSE Tagesgang ist in Andenes / Norwegen durch eine vorherrschende, halbtägige Variation mit Maxima um Mittag und Mitternacht geprägt. Neben dem Einfluß tageszeitlicher Wind- und Temperaturänderungen haben bezüglich der Radarechos auch solare und geomagnetische Aktivität einen wichtigen Einfluss auf die Häufigkeit der PMSE. So ist z.B. das mittlere mitternächtliche PMSE-Maximum wesentlich auf die Ionisationszunahme infolge einfließender Teilchen zurückzuführen.

Erstmals für die NLC-Saison 2003 wurden einige Echtzeitdaten-Links zusammengestellt [5]. Die Hoffnung war, interessierten Amateuren eine Abschätzung zu ermöglichen, ob es sich z.B. lohnt, in unseren hellen und späten Sommerzeitnächten noch weiterhin nach NLC Ausschau zu halten, oder doch lieber das Bett aufzusuchen...
Über das Internet werden weitreichende Möglichkeiten für uns Amateure angeboten, sich über das eventuelle Auftreten von Polarlichtern zu informieren - nun, bei den NLC ist dieses nicht so einfach. Faszinierend ist es aber allemal dieses auszutesten!
 

Welche Echtzeitdaten stehen uns unter anderem online zur Verfügung?

- MSE-Beobachtungen durch das VHF Radar [OSWIN] in Kühlungsborn 54°N / 12°E
- PMSE-Beobachtungen durch das VHF Radar [ESRAD] in Esrange / Kiruna 68°N / 21°E
- PMSE-Beobachtungen durch das VHF Radar [ALWIN] in Andenes 69°N / 16°E
- PMSE-Beobachtungen durch das VHF Radar [SOUSY] in Svalbard 78°N /16°E
- NLC-Messungen durch das ALOMAR* RMR Lidar in Andenes 69°N / 16°E

*ALOMAR = Arctic Lidar Observatory for Middle Atmosphere Research; Forschungseinrichtung in Norwegen unter Teilnahme wissenschaftlicher Gruppen aus sechs Nationen
 

Ein Lidar kann im Höhenbereich der NLC nur arbeiten, wenn keine tieferen Wolkenschichten stören. Das RMR Lidar in Andenes auf Andøya ist somit leider wetterabhängig. Dem IAP in Kühlungsborn stehen auch Lidargeräte zur Verfügung, aber es werden keine Daten online veröffentlicht. Die oben genannten VHF-Radare werden durch gewöhnliche Wolken nicht gestört. Interessant ist, daß ALWIN und OSWIN in geringem Maße auch von der Vertikalen abweichend eingestellt messen können. Das erwähnte RMR Lidar hat die Möglichkeit bis zu 30° abweichend von der Vertikalen zu messen. Aufgrund der allgemeinen atmosphärischen Gegebenheiten gilt es zu bedenken, daß z.B. das VHF-Radar ALWIN hoch oben bei 69° nördlicher Breite öfter Echos registriert, als das VHF-Radar OSWIN in Kühlungsborn. Sollten ALWIN-Echos dann in Verbindung mit NLC stehen, kann es natürlich sein, daß wir in unseren Breiten trotzdem nichts sehen, da die NLC eventuell noch unter unserem Horizont liegen...

Damit eine Vorstellung aufkommt, wie die Graphiken der Online-Daten aussehen können, wenn es interessant wird, dürfen mit freundlicher Genehmigung des IAP einige Graphiken wiedergegeben werden (man beachte auch die jeweiligen Intensitätsskalen neben den Radarbildern). Siehe Abb. 1 und 2 (Radar), Abb. 3 (Lidar). Wir möchten dabei ausdrücklich darauf hinweisen, das die Echtzeitdaten nur informellen Charakter haben! Vor weitergehender Nutzung sind die jeweiligen Herausgeber zu kontaktieren.
 


PMSE Messung durch VHF Radar
Abbildung 1: Echtzeit PMSE-Messungen durch das VHF-Radar ALWIN in Andenes 69°N / 16°E vom 12. bis 13.07.2003 (Bild: IAP)

 

MSE Messung durch VHF Radar
Abbildung 2: Echtzeit MSE-Messungen durch das VHF-Radar OSWIN in Kühlungsborn 54°N / 12°E am 12.07.2003 (Bild: IAP)

 

NLC Lidar Detektion
Abbildung 3: Echtzeit NLC-Messungen mittels Lidar vom 01.07. zum 02.07.2003 in Andenes 69°N / 16°E (Bild: IAP)


Konnten bereits Zusammenhänge erkannt werden?

Aufgrund der Erdkrümmung können, wie oben erwähnt, mögliche NLC über ALOMAR (dem  Standort von ALWIN und dem RMR Lidar) von unseren Breiten aus nicht erkannt werden, sofern sie nicht auch eine erhebliche Ausdehnung nach Süden haben. Das gilt ebenso für das Radar am Standort Kiruna. Das SOUSY-Radar auf Spitzbergen bietet für unsere Zwecke die geringste Aussagekraft. Die Vermutung, daß mit den PMSE in Zusammenhang stehende und von Norddeutschland aus sichtbare NLC, eine kompakte Ausdehnung durchgehend vom Pol her haben, sieht sich anhand verglichener Daten nicht zwingend bestätigt. Es ist nicht generell so, daß von unseren Breiten aus sichtbare NLC gleichzeitig vorhandene, räumlich stark ausgedehnte PMSE im hohen Norden nach sich ziehen. Vom Radar in Esrange / Kiruna liegen z.B. auch Archivdaten zurückliegender Jahre online vor [6]. Der Vergleich von PMSE-Daten mit einigen wenigen von uns beobachteten, älteren NLC-Daten aus Norddeutschland zeigt noch keine zwingende Korrelation, aber wohl Gemeinsamkeiten! Aus der letztjährigen Saison würden sich starke PMSE über Kiruna in der Nacht vom 12. zum 13.07.2003 allerdings gut in die markanten deutschen NLC-Beobachtungen des Abends einfügen lassen.

Isoliertes Entstehen von NLC ist durchaus möglich, wenn auch direkt auf unseren Breiten eher gering. Nach dem Prinzip der Perlmutterwolken [7] können Schwerewellen auch in der Mesosphäre für die nötige (lokale) Abkühlung sorgen, welche für die Bildung von NLC notwendig ist. So werden mitunter an den oben genannten skandinavischen Standorten keine NLC und PMSE festgestellt, während NLC-Sichtungen von unseren Breiten aus erfolgen. Es können also durchaus „große Löcher“ zwischen einer polaren mesosphärischen Wolkenkappe und bei uns sichtbaren NLC existieren.

Weiterhin besteht folgende Möglichkeit: In hohen Breiten entstandene NLC, welche mit gleichzeitig gemessenen PMSE in Zusammenhang stehen, driften südwärts. Über dem Ursprungsort werden dann nach einiger Zeit keine PMSE mehr registriert, aber die isolierten, verdrifteten und weiterentwickelten NLC erscheinen bei uns über dem Horizont, ohne daß wir einen zeitgleichen Zusammenhang erkennen können. Zu beachten ist aber, daß die Lebensdauer der NLC nicht unbegrenzt ist (in der Regel bis zu einige Stunden, in denen sich starke Veränderungen abzeichnen, welche auf hohe Geschwindigkeiten in der Höhe hinweisen).
 

Damit ist der Nutzen der Daten keinesfalls dahin!

1. Anhand der erstmaligen, kontinuierlichen Verfolgung der Echtzeitdaten in 2003 konnte für uns Amateure die bekannte saisonale Entwicklung der PMSE (und damit auch die NLC-Saison) direkt zeitlich eingegrenzt werden: Von zarten Echos ab Ende Mai bis hin zu immer stärkeren und manchmal nahezu durchgehenden Echos im Juni und Juli. Im August folgte dann ein deutliches Abflauen. Auch Tagesvariationen von PMSE konnten / können verfolgt werden.

2. Näher an den skandinavischen Stationen liegende Standorte sollten sich die Daten zunutze machen können (sofern es noch ausreichend dunkel werden kann)! NLC in 83 km Höhe, die sich gerade am Horizont zeigen, befinden sich in einer Entfernung von gut 1.000 km [Kasten 1]. Einige Dinge, wie eingeschränkte Horizontalsicht durch Geländemarken oder auch Dunst, sollten jedoch noch berücksichtigt werden. Dann müßte es sich lohnen, ab einer Entfernung von ca. 800 km oder weniger zu einer der Stationen, die Daten zu verfolgen. Diese können dann mit eigenen Beobachtungen abgeglichen werden.

3. OSWIN in Kühlungsborn liegt vor unserer Haustür. Tageszeitlich spätes bzw. frühes Auftreten von MSE wurde im Jahr 2003 (wie auch in anderen Jahren) eher selten von dem Radar registriert. Im NLC-Beobachtungszeitfenster von ca. 21-02 UTC gar nicht. Trotzdem wurden einige wenige Male auch NLC von Deutschland aus gesichtet. Das ist noch kein Widerspruch. Man muß bedenken, daß OSWIN nur in Zenitnähe MSE feststellen kann. Und NLC-Beobachtungen reichen bei uns meist nur bis eine gute Hand breit über den Horizont. Interessant wird es, wenn wir einmal das Glück von sehr späten registrierten OSWIN-Echos haben sollten. Sprich MSE über der Ostseeküste in Höhe 90° über dem Horizont, am besten im NLC-Beobachtungszeitfenster! Das gilt es in Zukunft zu verfolgen. So hohe NLC, welche mit den Radarechos in Zusammenhang stehen könnten, sind in unseren Breiten eine Rarität, aber nicht unbedingt auszuschließen. Das hat die Beobachtung vom 12./13.07.2003 gezeigt, als in noch sehr heller Dämmerung bereits NLC in großer Höhe sichtbar geworden sind (an den Beobachtungsorten Lübeck und Rostock bis mindestens ca. 50° über dem Horizont erkennbar). Immerhin hat es an diesem Abend auch relativ späte MSE-Messungen durch OSWIN gegeben (bis ca. 19:20 UTC). Erstmalig im Jahr 2000 wurden auch nachts MSE beobachtet. Diese ließen sich aber dadurch erklären, daß zu der Zeit (15. Juli) eine starke geomagnetische Störung auftrat (zusätzliche Ionisationsquelle durch das Einfließen von Teilchen).

Anzahl der NLC-Nachweise durch Lidar in Kühlungsborn (jeweils im Sommer):
1997  4x;  1998  1x;  1999  1x;  2000  - ;  2001  1x;  2002  - ;  2003  1x;  2004  2x;  2005  5x;  2006  4x; 
An dieser Stelle soll aber auch noch einmal betont werden: (P)MSE und NLC werden oft, aber nicht immer, gleichzeitig beobachtet! 
Wichtig ist auch der Hinweis, daß MSE nur bei einer ausreichenden Zahl freier Elektronen in der Atmosphäre und damit bei uns in der Regel nur am Tag bei Einstrahlung kurzwelligen Sonnenlichts entstehen können. [8]

Eine Erwähnung verdient noch die Anti-Korrelation bezüglich der NLC-Häufigkeit und der Sonnenaktivität. Bisherige Auswertungen zeigen auf, daß zur Zeit eines Sonnenfleckenmaximums das Auftreten (insbesondere stärkerer) NLC geringer ist, als zu Zeiten eines Sonnenfleckenminimums [u.a. 9]. Hier ist zusätzlich auch eine ein- bis zweijährige Verspätungsrate in der Diskussion.
Mit der Phase des Fleckenmaximums variiert auch die eingehende Strahlung auf der Erde. Chemische Reaktionen können durch einen geänderten UV-Anteil beeinflusst werden. Ebenso können sich Variationen auf die Temperatur im NLC-Bereich auswirken. Auch wenn es nur geringe Schwankungen sind, mögen diese wohl ausreichen, die Ausbildung von Wolken in der Mesosphäre zu unterdrücken. Es sind sehr tiefe Temperaturen notwendig (140 K und geringer), um überhaupt Eispartikel in dieser Höhe bilden zu können, da der Wasserdampfgehalt sehr gering ist. So bleibt es für uns besonders interessant, den Verlauf in den kommenden Jahren weiter zu beobachten, da wir uns auf das Sonnenaktivitätsminimum zubewegen. Weiter in Bezug auf einen 10-11 Jahres Zyklus, wird in [10] "Der Einfluß planetarer Wellen auf das Vorkommen leuchtender Nachtwolken über Nordwesteuropa" diskutiert.

Wer sich für die Geschichte der leuchtenden Nachtwolken interessiert, dem sei [11] empfohlen. Das Buch enthält u.a. Informationen über den Ausbruch des Vulkan Krakatau im Jahre 1883. Der Hauptteil widmet sich den Arbeiten von Otto Jesse (1838-1901), der sich in besonderem Maße der Erforschung der leuchtenden Nachtwolken gewidmet hat. Insbesondere die Wiedergabe seiner Veröffentlichungen aus diversen naturwissenschaftlichen Schriften erscheint interessant, da man seine ersten Schritte und die Beobachtungen jener Zeit nachempfinden kann. (Teile des Buches sind in englischer Sprache.)

Wir danken den Mitarbeitern des IAP, Herrn Dr. FIEDLER und Dr. LATTECK, für ihre freundliche Unterstützung!


Kasten 1:
Wie weit sind NLC, in bestimmten Winkelhöhen über dem Horizont, vom Beobachter entfernt?
 

NLC-Höhe über dem 
Horizont
Entfernung bezogen auf Höhe NN (gerundet)
0° / Horizont
1.020 km
820 km
670 km
550 km
460 km
10°
400 km
15°
280 km
20°
220 km
25°
170 km
30°
140 km
45°
80 km
60°
50 km
75°
20 km

Diese Angaben konnten aus einfachen trigonometrischen Rechnungen und dem Dreisatzverfahren ermittelt werden. Zu Grunde gelegt wurden folgende Angaben: 

Erdradius:  6378 km 
Erdumfang:  40077 km (entsprechend 360°) 
Mittlere NLC-Höhe: 83 km 

(Die Verwendung der Standardäquatorwerte ist ausreichend und hat keine relevanten Auswirkungen auf die Genauigkeit.) 

Es ergibt sich u.a. (bezogen auf den Erdmittelpunkt) ein Winkel von 9,2° zwischen einem Beobachter und NLC die gerade am Horizont erkennbar sind. Die Erde als Kreis betrachtet, hat einen Umfang von 360°. Daraus ergibt sich die Entfernung zu den NLC am Horizont wie folgt: 
360° = 40077 km 
9,2° = x        x ~ 1020 km 
 

Von Beobachtungsorten auf 54°N im Bereich Lübeck / Rostock liegt somit der Grenzbereich der Erkennbarkeit von NLC in:
 
Richtung Nordwest östlich der Orkney-Inseln
Richtung Norden südlich von Trondheim (Norwegen)
Richtung Nordnordost etwa bei Sundsvall (Schweden)
Richtung Nordost etwa bei Tallinn (Estland) / Helsinki (Finnland)

An diesen Orten würden sich die NLC bis in Zenithöhe befinden. Zu den erwähnten Meßstationen in Nordskandinavien trennen uns von dort aber mindestens weitere ca. 700 bis über 1000 km !
 
 

Literaturhinweise und Internetadressen:

[1] Frank Kosalla: Leuchtende Nachtwolken, SuW 06/1995, S.477
[2] Jürgen Rendtel, Wilfried Schröder: Leuchtende Nachtwolken, SuW 12/1995, S.952
[3] Thorsten Neckel: Die Leuchtende Nachtwolken vom 09./10.06.1997, SuW 07/1998 S.666
[4] http://www.iap-kborn.de
[5] http://3sky.de
[6] http://www.irf.se/program/afp/mst/?link[Data]=Archive
[7] Olaf Squarra: Himmlische Impressionen aus Finnisch-Lappland, Sterne und Weltraum 11/2002 S.70
[8] IAP Institutsbericht 2004/2005: 4. Simultane Beobachtungen vom MSE, NLC und Temperaturen über Kühlungsborn
[9] http://verplant.org/history-geophysics/Results/index.htm
[10] S. Kirkwood, K. Stebel: The Influence of Planetary Waves on Noctilucent Cloud Occurrence over NW Europe
[11] Wilfried Schröder (Hrsg.) Leuchtende Nachtwolken / Noctilucent Clouds (Geschichte, Entwicklung, Beobachtungen), 2003; ISSN 1615-2824. Bestellung über den „Arbeitskreis Geschichte Geophysik“ http://www.verplant.org/history-geophysics
[12] Olaf Squarra: Tabellarischer Vergleich: Auftreten von (späten)  M S E  in Verbindung mit Beobachtungen von  N L C  am ~Abendhimmel über ~Deutschland
 


 Copyright ©2004-2007 Stephan BRÜGGER / Olaf SQUARRA
Erstellt: Frühsommer 2004, letzte Änderung: 13.02.2007
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