Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

VerTurM-Experiment

VerTurM-Experiment

OPTIK DER ATMOSPHÄRE UND METEOROLOGIE

Im Rahmen des Langzeitexperimentes VerTurM (Vertikale Turbulenzmessungen) werden seit Sommer 2009 kontinuierlich die Vertikalprofile der Turbulenz in der unteren atmosphärischen Grenzschicht bis maximal 400 m Höhe vermessen.

Die Höhenprofile werden aus den Daten von drei sich ergänzenden Messsystemen aufgezeichnet. Die bodennahe Turbulenz wird mit einem Laser-Szintillometer vermessen, die Prandtl-Schicht mit Ultraschallanemometern an einem Mast in diskreten Höhen bis in 64 m Höhe. Die darüber liegenden Werte werden remote mit einem SODAR-RASS (Sound Detection And Ranging Radio Acoustic Sounding System) aufgezeichnet.

 

Einfluss der Turbulenz

 

 
Mess-Station   Datenerfassung

 

Für die Konzeption und den Einsatz von elektro-optischen Systemen müssen die zu erwartenden Turbulenzeffekte berücksichtigt werden. Eine Ursache der Turbulenz in der atmosphärischen Grenzschicht (bis 1–2 km Höhe) ist der Temperaturunterschied zwischen Boden und der darüber liegenden Luftschicht. Während des Tages lösen sich wärmere Luftblasen vom Boden, steigen nach oben und bewirken eine turbulente Durchmischung.

Die Turbulenzstärke wird sehr stark vom Wetter, d.h. von Sonneneinstrahlung, Temperaturfluktuationen und Windstärke, beeinflusst. Sie variiert mit der Tages- und Jahreszeit im jeweils vorherrschenden Klima. Beschrieben wird die Turbulenzstärke durch den Strukturparameter der Brechungsindexfluktuation Cn2.

Da die Turbulenzstärke mit zunehmender Höhe über dem Boden abnimmt, ist außerdem für nicht-horizontale Ausbreitungsstrecken die Kenntnis des Höhenprofils von Cn2 notwendig. Um das Höhenprofil von Cn2 bestimmen zu können, müssen die Höhenprofile der folgenden meteorologischen Größen in verschiedenen Höhen (h) bekannt sein: Lufttemperatur T (h), Luftdruck p (h) und Strukturparameter der Temperaturfluktuation CT2 (h).

 

 

 

Laser-Szintillometer

 

Die bodennahe Turbulenz wird mit einem Laser-Szintillometer (SLS 40) in 1.2 m Höhe über dem Boden gemessen. Szintillometer messen Cn2 direkt aus den Szintillationsschwankungen einer Lichtquelle. Bei dem während dem VerTurM-Experiment verwendeten SLS40 ist dies ein Laserstrahl der Wellenlänge 670 nm über eine horizontale Distanz von 75 m.

 

 

Laser-Szintillometer

 

 

Ultraschall-Anemometer

 

Gemessen werden die hochaufgelösten Zeitreihen der Ultraschallanemometertemperatur, die in etwa der virtuellen Temperatur entspricht. Aus den Varianzen der Zeitriehen wird CT2 berechnet. Vier Ultraschall-Anemometer sind am Meteorologieturm in 4 diskreten Höhen montiert: 4 m, 8 m, 32 m und 64 m. Sie liefern das Cn2-Profil in der Prandtl-Schicht.

 

     
Ultraschall-Anemometer   Meteorologieturm (bis 64m Höhe)

 

SODAR-RASS

Sound Detection And Ranging mit Radio Acoustic Sounding System.

 

Für Bestimmung des Vertikalprofiles der optischen Turbulenz in der unteren atmosphärischen Grenzschicht wird das SOSAR-RASS-System verwendet. Es liefert mit einer Höhenauflösung von 5 m Cn2-Werte zwischen 40 und maximal 400 m Höhe.

Beim SODAR werden akustische Pulse vertikal nach oben ausgesendet. Diese werden an Temperaturfluktuationen in der Atmosphäre zurückgestreut. Aus Intensität und Laufzeit der zurück gestreuten Signale kann das Höhenprofil von CT2 abgeleitet werden. Das RASS-System sendet Radiowellen aus, die an den gesendeten akustischen Signalen gebrochen werden. Aus diesen zurückgestreuten Signalen kann ein Höhenprofil der virtuellen Temperatur abgeleitet werden. Druckprofile werden aus Bodendruckwerten und der barometrischen Höhenformel berechnet. Aus der Kombination der beiden Systeme und dem Druckprofil wird das Vertikalprofil von Cn2( h) bestimmt.

Das SODAR-System wird auch eingesetzt um unter Verwendung der Doppler-Verschiebung Vertikalprofile der horizontalen Windgeschwindigkeit aufzunehmen.

 

 

 
RASS (Radio Acoustic Sounding System)
  SODAR (Sound Detection And Ranging)

 

Ergebnis

 

Die aufgenommenen Vertikalprofile von Cn2 sollen dazu dienen ein neu entwickeltes Modell zur Bestimmung der optischen Turbulenz in der unteren atmosphärischen Grenzschicht zu validieren. Sie liefern zudem eine Langzeitstatistik über die auftretenden Turbulenzprofile in Abhängigkeit von Tages- und Jahreszeit und meteorologischen Situationen.

Zusätzlich verfügt das Fraunhofer IOSB über eine Datenbank von bodennahen Cn2-Werten über Wasser und über Land, di an ausgewählten Orten weltweit gemessen wurden.