In-situ Messungen von Turbulenz in Wolken

Die Bedeutung von Turbulenz in Wolken

Im Allgemeinen sind Wolken ein hochgradig turbulentens System und viele verschiedene Prozesse werden durch das turbulente Windfeld und fluktuierende thermodynamische Parameter beeinflußt oder sogar kontrolliert.

In der oberen Abbildung sind ausgewählte turbulente Wolkenprozesse für eine typische Grenzschichtwolke schematisch dargestellt und werden im Folgenden kurz diskutiert:  

• In der frühen Phase der Wolkenentwicklung werden geeignete Aerosolpartikel zu Wolkentropfen aktiviert wenn die relative Feuchte an der Wolkenbasis Übersättigung erreicht hat. Die relative Feuchte hängt nicht-linear von dem turbulenten Temperaturfeld und dem Feld der absoluten Feuchte ab. Das bedeutet, dass lokal hohe Übersättigungen zu erwarten sind. Mit der heutigen Technik sind schnelle und hochgenaue Messungen der Übersättigung an der Wolkenbasis nicht möglich so dass Messungen von Maximalwerten der Übersättigung in atmosphärischen Wolken noch nicht möglich sind. Während der IMPACT-Kampagne welche 2008 in den Niederlanden durchgeführt wurde konnten Messungen mit  ACTOS in frisch gebildeten Schönwetterwolken durchgeführt werden. Die Abbildung 1 zeigt die Zeitreihe der relativen Feuchte wie sie aus Temperatur und absoluten Feuchtemessungen für einen 550 m langen Wolkendurchflug gemessen werden konnte. Der Mittelwert der relativen feuchte wurde innerhalb der Wolke auf 100% gesetzt. Die Fluktuationen der relativen Feuchte werden trotz der limitierten absoluten Genauigkeit jedoch als real interpretiert obwohl die genaue Amplitude noch genauer untersucht werden muss. 
• An Wolkenrändern wird des öfteren stark erhöhte Turbulenz beobachtet die im wesentlichen durch Windscherung hervorgerufen wird welche wiederum durch die räumliche Nähe von kräftigen Ab- und Aufwinden am Wolkenrand verursacht wird. Die Abwinde an Wolkenrändern werden durch Abkühlungseffekte von verdunstenden Wolkentropfen in ungesättigter Umgebungsluft hervorgerufen. Die relative Abkühlung der Umgebungsluft führt dann wiederum zu negativem Auftrieb und einem Absinken der Luftmassen knapp ausserhalb der Wolken während innerhalb des Wolkenkerns eine aufwärtsgerichtete Luftströmung dominiert.  Die Turbulenz am Wolkenrand verstärkt das Einmischen von ungesättigter Luft und damit verbundener Tropfenverdunstung womit eine positive Rückkopplung entsteht. Die Abbildung 2 zeigt einen Wolkendurchflug mit ACTOS. Die Wolke ist durch einen Flüssigwassergehalt von bis zu 1 g m^-3 charakterisiert. Die Vertikalwindgeschwindigkeit innerhalb der Wolke liegt bei maximal + 4 m s^-1 während an dem Wolkenrand abwärts gerichtete Windgeschwindigkeiten von bis zu - 4 m s^-1 gemessen werden. Die räumliche Distanz zwischen dem maximalen aufwärts und abwärts gerichteten Vertikalwind beträgt lediglich 35 m. Im unteren Teil der Abbildung wird die kinetische Energiedissipationsrate - gemittelt über eine Distanz von 20 m - dargestellt. Dieser Parameter kann als Intensität der Turbulenz interpretiert werden und zeigt deutlich die maximalen Werte am Wolkenrand wo die größte Windsicherung zu beobachten ist.
• Kleinskalige Turbulenz und Schwerkraft sind die beiden treibenden Kräfte wenn es um die direkte Wechselwirkung von zwei benachbarten Wolkentropfen in einem turbulenten Strömungsfeld geht. Beide Parameter entscheiden neben der Tropfenmasse ob es zur Kollision der beiden Tropfen kommen kann oder nicht. In schwach turbulenten Wolken dominiert die Schwerkraft während in stark turbulenten Wolken die Turbulenz auf Grund ihres intermittierenden Charakters lokal sehr wohl eine bedeutende Rolle spielen kann. Daher wird die relative Bewegung zweier Tropfen - welche entscheidend für einen Kollisionsprozess ist - sowohl von der Schwerkraft auf zwei unterschiedlich schwere Tropfen als auch von der lokalen Geschwindigkeit des Windfeldes an der Tropfenposition bestimmt. Die relative Bedeutung von Schwerkrafteinfluss (Settling Parameter) und Turbulenz (Stokes Zahl) auf Tropfen wird in dem dimensionslosen Graph in Abb. 3 für typische Passatwindwolken dargestellt.