Haben Cirren im Strahlstrombereich (Jet Stream) bessere optische Eigenschaften?

Durch die stark mäandrierende Frontalzone wurde die allgemeine Wetterlage in Europa am 16. und 17. Oktober von mehreren Faktoren bestimmt. Ein gealtertes Tief über dem Ostatlantik hatte einen steuernden Charakter in Bezug auf Frontenbildung und -entwicklung in unseren Breiten. Diese Zyklone war bis in die Tropopausenhöhe entwickelt und zeichnete sich durch eine geringe Achsenneigung aus. Über Osteuropa lag zur gleichen Zeit ein kräftiger Höhentrog mit der Achse vom Nordkap bis ins östliche Mittelmeer. Das Beobachtungsgebiet der Beobachter KK34 bis KK01 befand sich auf der warmen Seite des Strahlstromes, so daß als Ursache des Cirrusstratus die Warmfront angenommen werden mußte und nicht die charakteristische Bewölkung des Strahlstromes. Dieser hatte eine Breite von 1500 km, reichte von Südnorwegen bis Norditalien und hatte eine vertikale Erstreckung von ca. 8500 bis 11500 m. Um diesen Beitrag nicht mit zusätzlichen Zustandsbeschreibungen der Troposphäre zu überlasten, sind alle notwendigen Daten in den beiden Abbildungen direkt ablesbar. Abb. 1 gibt einen Überblick über die Feuchteverteilung (t-tau) in 300 hPa und die Lage der Fronten am Boden. Der Vertikalschnitt (Abb. 2) ist schematisiert und enthält nur Angaben, die für die folgenden Betrachtungen wichtig sind. Zur Grundorientierung wurde in Abb. 2 die Ost-West-Ausdehnung des Beobachtungsraumes von KK56 bis KK01 auf die Strecke A B projiziert. Die Isotachen (Linien gleicher Windgeschwindigkeit) wurden aus den markanten Windpunkten der Radiosondenmeldungen entwickelt und zeigen die warme Seite des Strahlstromes als einen „plattgedrückten Schlauch".

Leider liegen mir keine Angaben über die Häufigkeit farbiger Mondhaloerscheinungen vor. M. Minnaert schreibt dazu: „...denn beim Mond sind sie wesentlich lichtschwacher, und Farben sind fast nicht zu erkennen". [1] Man findet dort auch gleich einen Hinweis, daß Mondhalos mehrere Male farbig gesehen wurden. Da es sich hierbei möglicherweise um seltene Erscheinungen handelte und genügend Datenmaterial vorhanden ist, sollen an dieser Stelle einige wolkenphysikalische Betrachtungen folgen. Das Auftreten der Haloarten war durch die Warmfront bedingt, während die außergewöhnliche Brillanz der Erscheinungen durch den Strahlstrom selbst verursacht wurde. Die horizontale Geschwindigkeitsscherung konnte für unsere Betrachtungen vernachlässigt werden. Über die gesamte Höhenerstreckung des Jets war die vertikale Geschwindigkeitsscherung (S) schon von Bedeutung. Betrachten wir das Höhenintervall 6000 </= h </= 9500 m, so war S noch klein. Erst ab einer Höhe h >/= 9500 m nahm S kontinuierlich zu. Da sich auch die Windrichtung nur wenig änderte, kann man im Höhenintervall 6000 </= h </=9500 m von einer laminaren Strömung sprechen. Das bedeutet, in diesem Intervall waren die hexagonalsymmetrischen Eisteilchen vorzugsweise horizontal ausgerichtet und außerdem noch richtungsorientiert (320° - 130°). Die Windrichtung variirte im gesamten Beobachtungsraum und Druckintervall 200 </= P </= 500 hPa um +-10°. Wolkenphysikalisch gesehen bewegten sich die Eisteilchen mit der laminaren Strömung, wobei an den Rändern der Kristalle entstandene Verwirbelungen hinreichend klein gegen die Strömung waren. Selbst Kollision zwischen den Eiskristallen unterschiedlichen Typs dürften kaum eine Änderung in der Vorzugsorientierung bewirkt haben. Nach A. Macke hängt die Streufunktion und Polarisation in der horizontalen Orientierung von der Beleuchtungs- und Beobachtungsgeometrie ab. „Während die Streuung an zufällig orientierten hexagonalen Kristallen dem Betrachter lediglich um die Vorwärtsstreurichtung gelegene konzentrischen Haloringe bieten, verursachen horizontal orientierte Kristalle eine Fülle von punkt- und ringförmigen Streumaxima." [2]. Betrachten wir jetzt noch die Struktur der Eisteilchen, so war im definierten Höhenintervall der untere Bereich (bis 6500 m) bei t >/= -25°C mit hexagonalen Eisplättchen besetzt. Hexagonalsymmetrische Säulen traten demnach erst ab h >/= 6500m (t<-25°C) auf. Ab einer Höhe von h >/= 9500 m waren auf Grund der größeren Scherung auch stärkere Turbulenzen wahrscheinlich, so daß hier zunehmend mit oszillierenden, horizontal ausgerichteten hexagonalen Säulen gerechnet werden mußte. Alle diese Teilchen mit ihren Ausrichtungen wurden durch die Beobachtung indirekt belegt. Betrachten wir die Beobachtungsergebnisse nach Tabelle 1, so ist eine Nord-Süd-Teilung erkennbar. Der 22°-Ring (Enstehung durch zufällig orientierte Säulen) und der obere Berührungsbogen (horizontal orientierte Säulen), waren im Norden hell und im Süden schwach ausgeprägt. Die Nebenmonde erreichen hingegen im Süden den größten Glanz. Der Übergangsbereich könnte bei KK34 gelegen haben. Tab.1 und Abb.1 zeigen, daß in 300 hPa der Süden deutlich trockener war. Da die Temperatur in E-W-Ausdehnung von KK56 bis KK01 im Intervall -48 </= t </= -44°C der 300 hPa-Fläche lag, ist es wahrscheinlich, daß bei einer Taupunktdifferenz von 5 </= (t-tau)=6K die Konzentration von Säulen in P=300 hPa des Beobachtungsraumes von KK01, KK38 und KK51 erheblich geringer war als im Norden. Ein Großteil der Säulen, die durch den Strahlstrom nach Süden transportiert wurden, könnte bereits vorher in tiefere Schichten abgesunken sein. In der 500 hPa-Fläche war es mit -20 bis -17°C bereits recht warm. Nach Malberg [3] sind im Temperaturintervall -20 </= t </= -13°C unterkühlte Wassertropfen und Eiskristalle gleich häufig vertreten, so daß die Säulen während des Absinkens wahrscheinlich ihre geometrische Form geändert haben. Der südliche Raum war im Intervall 600 </= P </= 850 hPa sehr trocken, so daß das Licht kaum abgeschwächt wurde. Bei KK59 war die gesamte Schicht der Frontbewölkung wesentlich dicker. Die Nebenmonde erreichten daher nur H=2. Die Daten von KK56 passen nicht in dieses Bild, weil KK56 nicht mehr im Strahlstrombereich lag und sich bereits im Einfluß des anderen Frontensystems befand.Diese Interpretation kann natürlich nicht alle Fragen beantworten und ist auch in einigen Punkten problematisch. So ist diese Betrachtung im Sinne einer Zustandsbeschreibung angelegt. Wolken und Fronten befinden sich in ständiger Veränderung und stellen daher eher Prozesse als Zustände dar.Ein weiteres Problem ist der Einfluß lokal wirkender Größen, welche aerologisch und auch synoptisch nicht bestimmbar sind. Diese können aber einen entscheidenden Einfluß auf die Sichtbarkeit von Haloerscheinungen haben, wenn sie z.B. die Beleuchtungs- und/oder die Beobachtungsgeometrie verändern. Da die meteorologischen Ausgangsbedingungen eindeutig bestimmbar waren (Warmfront im Strahlstrombereich) und diese über einen längeren Zeitraum stabil waren, aber auch nur dann macht eine solche Betrachtung einen Sinn. So ist es möglich, nach und nach Daten zu sammeln, die für spätere Analysen und Projekte dienlich sein können.

Bei der Auswertung der Erscheinungen vom 16.10.1997 wurde sehr bald klar, dass man über diese Problematik mühelos mehrere Seiten hätte schreiben können. Da Zustandsbetrachtungen und eine kurze Interpretation auf der Grundlage synoptischer und aerologischer Daten bereits umfangreich charakterisiert wurde, habe ich auf Erläuterungen in Teil 1 ganz verzichtet. Erst später stellte sich heraus, daß einige Erklärungen für das Verständnis der Zusammenhänge unverzichtbar sind. In diesem Teil soll nun die schon geführte Interpretation durch eine Simulation mit HALOET überprüft und einige Betrachtungen näher erläutert werden.

Die Synoptik liefert die meteorologischen Ausgangsdaten und die Halobeobachtung steuert wertvolle Ergänzungsdaten bei. Auf der Grundlage dieser Daten wird entschieden, ob wolkenphysikalische Betrachtungen überhaupt möglich sind. In diesem Falle handelt es sich um frontgebundenen Cs. Die Eisteilchen entstanden also vor Ort durch Aufgleitprozesse. Somit entfällt die schwierige Bestimmung der Trajektorienanfangspunkte der zu betrachtenden Teilchen.Abb. 3 gibt einen allgemeinen Überblick über den Zustand der Troposphäre im Warmfrontbereich vom 17.10., 0 Uhr UT und gilt nur für den nördlichen Raum. Zur Diskussion steht hier das Erscheinungsbild der Nebensonnen, des oberen Berührungsbogens und des 22°-Ringes bezogen auf den Beobachtungsraum V von KK59, welches am 16.10. ab 19.02 MEZ beobachtet wurde. Durch das Temperaturprofil war eine Zuordnung der unterschiedlichen Typen der Eisteilchen innerhalb der Gesamtschicht möglich, da empirisch einigermaßen gut bekannt ist, bei welchen Temperaturen Säulen und Plättchen entstehen. Die Taupunktdifferenz (t-tau) gab einen Hinweis auf die Konzentrationen der hexagonalen Wolkenelemente in der entsprechenden Schicht. Die Orientierung dieser Teilchen wurde ausschließlich durch den Strahlstrom bestimmt. Die Strömungscharakteristik wurde nach unterschiedlichen Kriterien ermittelt und bezieht sich auf das entsprechende Volumenelement dV des Beobachtungsraumes V. Obwohl die Strömung der Troposphäre generell zu Turbulenzen neigt [4], können sich unter gewissen Bedingungen auch laminare Strömungen entwickeln. Betrachten wir nach Abb.3 neben der Verteilung der Eisteilchen noch die Strömungscharakteristik, so ergeben sich vier Schichten mit jeweils unterschiedlichen optischen Eigenschaften. In der ersten Schicht dominierte die laminare Strömung. Die Zunahme der Geschwindigkeit betrug hier 5 m/s auf 2,5 km. Die Geschwindigkeitskomponenten v und w waren nicht meßbar, so daß sich das Problem größenordnungsmäßig auf die einfache Scherströmung [5] reduzierte. Da die kinematische Viskosität der Luft klein ist, mußte man auf jeden Fall kleinskalige Turbulenzen annehmen. In diesem Fall waren aber die Differenzgeschwindigkeiten zur Strömung hinreichend klein, so daß diese möglichen Turbulenzen keine Änderung in der Vorzugsorientierung der Plättchen bewirken konnten. Eine Durchmischung konnte sich nicht einstellen, da die Schichtung feuchtstabil war. Größere Schwankungen in der Luftdichte waren ebenfalls nicht gegeben, da in dieser Schicht keine Inversionen festgestellt wurden. Die Annahme horizontal orientierter Säulen ergab sich aus der Temperatur (t < -25°C) und der laminaren Strömung, so daß in der zweiten Schicht die Säulen in ihrer Richtung ausgezeichnet waren. In der dritten Schicht wurde die laminare Strömung durch meßbare Schwankungen im Starkwindfeld und der Luftdichte zunehmend instationär, so daß die vorzugsweise horizontal orientierten Säulen mit wachsender Amplitude oszillierten. Oberhalb 300 hPa waren die Schwankungen bereits so groß, daß trotz der zunehmenden Windgeschwindigkeit die horizontale in einer zufällige Orientierung überging und die instationär laminare Strömung in eine turbulente umschlug. Die beobachteten Haloerscheinungen lassen sich nun diesen Schichten des frontalen Cirrus zuordnen.

In diesem Punkt geht es nicht um die Simulation der Beziehung Erscheinung - Teilchen, sondern um eine Prüfung der modellierten optischen Eigenschaften des Cs. Nach A. Macke ist die Mehrfachstreuung zur Untersuchung der optischen Eigenschaften von Cirruswolken geeignet [2]. Das Ziel bestand darin, auf der Grundlage des modellierten Zustandes ein Streubild (Abb.4) zu bekommen, daß unter den Bedingungen der Mehrfachstreuung mit der Beobachtung übereinstimmen soll. Da wolkenphysikalische Betrachtungen auf der Basis aerologischer Meßtechnik nur bedingt möglich sind, und so in einigen Punkten die Modellierung durch theoretische Betrachtungen gestützt werden mußte, soll hier auf eine Strahlenganganalyse verzichtet werden. Da die Frontbewölkung in ihrer vertikalen Erstreckung größer als in der horizontalen war, habe ich die Elevation mit 10° etwas höher angesetzt, damit das Licht eine längere Wegstrecke durch die Wolke zurücklegen mußte. Zu Beginn wurde jede optische Schicht separat simuliert und die Parameter getestet. Zur Bestimmung der Grenz- und Randwerte waren die genauen Angaben von G. Busch und B. Kunitz zur Variation der einzelnen Erscheinungen unverzichtbar. Abb.4 zeigt das Ergebnis der Simulation mit allen Schichten und die Tabelle gibt Auskunft über die Parameter. Da in der Parameterdatei von HALOET nur die Angabe der Dicke der Gesamtschicht möglich ist, wurde die Dicke jeder Schicht über die relativen Anteile (portion) der Kristalltypen und -orientierungen bestimmt. Die relativen Anteile ergeben sich aus den Konzentrationen der Kristalltypen in der entsprechenden Schicht, welche eine Funktion von (t-tau) sind. Das Streubild (Abb.4 zeigt auf den ersten Blick die Streumaxima für die Nebenmonde und den oberen Berührungsbogen. Der kleine Ring tritt durch eine unterschiedliche Verteilung der Pixel außerhalb des Ringes im Vergleich zu innerhalb des Ringes hervor. Die Helligkeit ist außerhalb des Ringes größer als innerhalb, was mit der Beobachtung ebenfalls gut übereinstimmt. Nach den Aufzeichnungen über die Variationen des 22°-Ringes von jenem Tage, waren die Unterschiede in den Flächenhelligkeiten zeitweise ungewohnt groß. In Graustufen ausgedrückt, war es außerhalb des Ringes zeitweise dunkelweiß bis hellgrau und innerhalb konnte man im Gegensatz dazu dunkelgrau bis schwarz beobachten, und das bei hellem Mondschein. Das Streumaximum der horizontal orientierten Säulen ist nicht erkennbar, da es durch den oberen Berührungsbogen und den 22°-Ring überlagert wird. Dieser Lichtschein oberhalb des kleinen Ringes wurde auch nicht gesehen. Nur in der Einzelsimulation war er zu erkennen. Oszillierende Plättchen können auch einen kleinen Ring verursachen, wenn der Kippwinkel hinreichend groß ist. Eine Simulation von E. Tränkle [6] zeigt, daß dieser unter bestimmten Bedingungen auch durch rotierende Plättchen im Zusammenhang mit Lowitzbögen entstehen kann. Die Strömungsverhältnisse vom 16.10. ließen eine solche Entstehungsvariante jedoch nicht zu. Meines Erachtens wurden auch keine Lowitzbögen in diesem Zeitraum beobachtet. G. Busch beobachtete einen 46°-Ring (unvollständig) und C. Hetze konnte einen Parrybogen erkennen, was ebenfalls für die oben beschriebene Theorie spricht.

Es liegt in der Natur der Sache, daß bei diesen Betrachtungen auch einige Probleme auftraten. Die größten Schwierigkeiten bestanden in der Bestimmung der Schichten nach hydrodynamischen Kriterien. Da die Übergänge zu anderen Strömungseigenschaften kontinuierlich sind, treten hier die größten Unsicherheiten auf. Ermittelt man die einzelnen Schichtdicken nach anderen Maßstäben, so variieren diese zwar untereinander, ergeben aber innerhalb der Gesamtschicht kein qualitativ anderes Bild. Durch die eingeschränkte Meßgenauigkeit der Radiosonden sind wolkenphysikalische Betrachtungen nur bedingt möglich und diese müssen dann mit größter Vorsicht durchgeführt werden. Bedenken wir, daß die geometrischen Parameter der Eiskristalle größenordnungsmäßig im mm - Bereich liegen, so treten hier noch zusätzlich Probleme der Modelladaption auf.Das Programm HALOET ist offensichtlich für die Simulation von Sonnenhaloerscheinungen ausgelegt. Reflektiertes Licht hat ja doch etwas andere optische Eigenschaften. Diesen Umstand habe ich durch einen Verzicht auf Optimierung der Parameter versucht zu kompensieren, so daß die Streumaxima sozusagen unter erschwerten Bedingungen entstanden.

Cirriforme Wolken, die sich im Strömungseinfluß von Starkwindfeldern und/oder Strahlströmen befinden, haben unter bestimmten Bedingungen zum Teil erheblich bessere optische Eigenschaften, als Wolken, die sich in schwachwindigen Gebieten befinden. Die optischen Eigenschaften werden aber nur dann verbessert, wenn die Strömung zu optimalen Raumorientierungen der Eiskristalle führt, die die entsprechenden Haloerscheinungen dann auch verursachen. Die Eisteilchen müssen dann auch in hinreichender Konzentration vorhanden sein.

Jetzt kommt es darauf an, dieses Ergebnis durch eine Beobachtungsreihe zu untermauern. Sollte sich dieses Resultat in Zukunft bestätigen, ergibt sich für die Halobeobachtung eine wichtige Konsequenz. Die besseren optischen Eigenschaften von Eiswolken in Strahlströmen und/oder Starkwindfeldern ermöglichen dann die Beobachtung von Erscheinungen, die unter normalen Umständen auf Grund ihrer geringen Helligkeit kaum oder nur schwer beobachtbar sind. Da die Jets über einen längeren Zeitraum beständig sind, hätte man theoretisch genug Zeit, solche Beobachtungen vorzubereiten. Sollte sich in Zukunft die Notwendigkeit ergeben, daß eine Modellierung von Haloerscheinungen und/oder -phänomenen nach hydrodynamischen, thermodynamischen und optischen Gesichtspunkten erforderlich ist, dann sind auf jeden Fall nach Angaben zu den Variationen der einzelnen Erscheinungen wichtig.

[1] Marcel Minnaert, "Licht und Farbe in der Natur", Birkhäuser Verlag 1992, S. 263.
[2] Andreas Macke, "Modellierung der optischen Eigenschaften von Cirruswolken", Dissertation, Hamburg 1994, S. 61.
[3] Horst Malberg, "Meteorologie und Klimatologie", Eine Einführung, 2. überarbeitete Auflage, Springer-Verlag 1994.
[4] England, Ulbricht, "Flugmeteorologie", Transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, Berlin 1980, S. 239-244
[5] Sturk, "Strömungslehre - Einführung in die Theorie der Strömungen", Springer Verlag, 4. Auflage, 1996, S. 152-207
[6] Tränkle, "Computersimulation zur Erkennung der Lowitzbögen", MM21, 1996, S. 70-71

von Rainer Schmidt, Laage Kronskamp