WISE 2017

WISE (Wave-driven ISentropic Exchange)

Martin Riese (1), Martin Kaufmann (1), Peter Hoor (2) and Daniel Kunkel (2) logo_v9
(Forschungszentrum Jülich (1)  and Johannes Gutenberg University Mainz (2))

External homepage:

http://www.wise2017.de

English version (currently without blog):

https://www.blogs.uni-mainz.de/fb08-ipa/wise/

Hintergrund

Änderungen in den Verteilungen von Spurengasen wie Wasserdampf und Ozon sowie dünnen Zirren in der oberen Troposphäre und unteren Stratsophäre (UTLS, engl. für upper troposphere and lower stratosphere) beeinflussen den Strahlungsantrieb des Erdklimas (z.B. Riese et al., 2012) sowie Oberflächentemperaturen (z.B. Solomon et al., 2010). Mischungsprozeße an der Tropopause treten auf verschiedenen Skalen auf, angefangen bei der Mikroskale bis hin zur planetaren Skala, und müssen dadurch in Globalodellen parametrisiert werden. Die dabei auftretenden Ungenauigkeiten führen oftmals jedoch zu großen Fehlern  bei der Berechnung des Strahlungsantriebs und sind daher ein Schlüsselparameter um Änderungen im Klima richtig nachvollziehen zu können (Riese et al., 2012). Es ist daher von großer Bedeutung die physikalischen und chemischen Prozeße (wie z.B. Stratosphären-Troposphären Austausch und Zirrenbildung) zu quantifizieren, die die Zusammensetzung der Luft in der UTLS mitbestimmen. Die sogenannte overworld bei potentiellen Temperaturen θ ≥ 380 K beeinflusst direkt die Zusammensetzung der extratropischen Stratosphäre mit bedeutenden Beiträgen von Luft aus der Region des Asiatischen Monsuns (Vogel et al., 2014; Ploeger et al., 2013). Darunter befindet sich die extratropische Mischungsschicht (ExTL, engl. für the extra-tropical transition layer), die stark von quasi-horizontalem, bidirektionalem Austausch über die Tropopause hinweg beeinflusst wird (Hoor et al., 2010). Das obere Ende dieser Mischungsschicht liegt dabei in der Region der Tropopauseninversionsschicht (TIL, engl. für tropopause inversion layer), die eine Region erhöhter statischer Stabilität darstellt. Der Einfluss von strahlungsaktiven Spurenstoffen macht die TIL dabei zu einem guten Indikator für Änderungen in der ablaufenden Ozonchemie oder für Änderungen in den Tropopausentemperaturen, die wiederum direkten Einfluss auf den Wasserdampfgehalt haben, der die statische Stabilität stark beeinflusst.

In WISE werden die folgenden Themen bezüglich der Interaktion zwischen Zusammensetzung und Dynamik in der UTLS untersucht:

ST1) Zusammenhang zwischen der Tropopauseninversionsschicht und der Spurenstoffverteilung in der UTLS

ST2) Rolle des planetaren Wellenbrechens auf den Wasserdampfgehalt und -transport in der extratropische untere Stratosphäre

ST3) Rolle von Halogenverbindungen bei der Ozonverteilung und für den Strahlungsantrieb in der UTLS

ST4) Auftreten und Effekte von dünnen Zirruswolken in der untersten Stratosphäre

15.10.2017 Hurrikan OPHELIA bei WISE vermessen

Der Hurrikan OPHELIA hält zur Zeit ganz Irland in Atem. Der Hurrikan zieht vor der Küste Europas seine Bahn und ist am 14.10. zu einem Hurrikan der Kategorie 3 hochgestuft worden. OPHELIA hatte sich vor einigen Tagen vor der Küste Afrikas gebildet, aber keine westliche Zugbahn in Richtung Karibik eingeschlagen. Das Sturmsystem hatte sich südwestlich der Azoren verstärkt und kaum verlagert. Vor zwei Tagen hat OPHELIA eine Zugbahn Richtung Nordosten eingeschlagen und ist zum stärksten Hurrikan geworden, der seit Beginn der Aufzeichnungen in dieser Stärke so weit im östlichen Atlantik vor der Küste Europas nach Norden gezogen ist.

OPHELIA am 14.10. gegen 10.00 UTC (links) und am 15.10. um 8.00 UTC (Quelle: EUMETSAT). Das Auge ist in der frühen Phase noch gut zu erkennen. Das lang gezogene Wolkenband gehört zu einem Frontensystem auf der Vorderseite eines Höhentrogs, das mit dem Hurrikan im weiteren Verlauf verschmilzt.

Vorhergesagte Wahrscheinlichkeit für Windgeschwindigkeiten von > 93 km/h (Quelle: NOAA). OPHELIA wird am Montag auf Irland treffen und die Insel bis Dienstag überquert haben.

Am heutigen Sonntag ist HALO zu einem Messflug aufgebrochen, um mögliche Auswirkungen des Sturmsystems auf die Zusammensetzung der Tropopausenregion zu untersuchen. Von besonderem Interesse ist der Vertikaltransport von Wasserdampf und Spurenstoffen aus Bodennähe in Höhen von 12-13 km. Vorhergesagt sind Einflüsse des Systems bis in Bereiche von 170 hPa. HALO ist auf südwestlichem Kurs dem System entgegen geflogen, und hat in mehreren Höhenstufen die Bereiche oberhalb von 13 km vermessen.

28.09.2017 Haifischflossen über den Wolken

Aufnahme während des Messflugs WISE07 am 28.09.2017 über Schottland in einer Höhe von 13 km.

Am 28.September ist HALO zu einer Mission aufgebrochen, um die Wechselwirkung von aufsteigenden Luftmassen vor einer Kaltfront mit der Tropopause zu untersuchen. Dabei werden die Luftmassen vor der Kaltfront in einem sogenannten 'warm conveyor belt' rasch aus Bodennähe in Höhen von ca. 10 -12 km gehoben. Beim Aufstieg bildet sich das charakteristische Wolkenband aus und es entsteht an der  thermischen Tropopause, wo die Temperaturen sehr niedrig sind, ein Schirm aus Zirrusbewölkung. Durch den raschen Aufstieg wird auch die Lage der Tropopause angehobenund die statische Stabilität an der Tropopause erhöht. Bei hinreichender Strömung kann zur Ausbildung von sogenannten Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten kommen, die durch ihre charakteristischen Wolkenmuster zu erkennen sind. Sie zeigen an, dass Turbulenz und Mischung auftreten können. HALO hat beim Flug 7 am 28.09.2017 knapp oberhalb der Wolkendecke genau diese wellenartigen Strukturen durchflogen und auch turbulente Luftmassen durchquert.

Lage der dynamischen Tropopause laut Vorhersage für den 28.09.2017. Bräunliche Bereiche markieren niedrige Drücke, d.h. hohe Tropopausenhöhen, gelb und grün bis blau sehr niedrigen Tropopausenhöhen. Gut zu erkennen ist der Rücken über den britischen Inseln, an dessen westlicer Flanke der Aufstieg der Luftmassen vor der Kaltfront stattfindet. Sehr gut zu erkennen ist der okkludierte Bereich des Systems westlich von Schottland. Blaue Linien markieren den Flugpfad.

18.09.2017 Transferflug nach Shannon/Irland

Am 18.September hat HALO Oberpfaffenhofen verlassen und die WISE Mission in Irland kann beginnen. HALO ist zu Gast am Flughafen Shannon an der Westküste in der Nähe von Limerick.

HALO wartet mit laufendem Triebwerk auf die Startfreigabe nach Irland. Vor den Messflügen müssen die Triebwerke ca. 15 Minuten am Boden laufen, um den Strom für die Messgeräte zu liefern. Dies emüssen vor dem Start eingeschaltet werden, damit die Geräte sich stabilisieren können.

Zur Begrüßung ein Regenbogen über dem Hangar in Shannon. Hier wird HALO die nächsten 5 Wochen stationiert sein.

14.09.2017 Nachbereitung des Fluges vom Mittwoch

Heute steht vor allem die Besprechung der Erkenntnisse aus dem gestrigen Flug, die Vorbereitung des Umzugs nach Shannon und die Planung des Transferflugs am Montag, den 18.09.2017 im Fokus.

Beim Meeting um 10:45 Uhr wurden die ersten vorläufigen Ergebnisse der Geräte diskutiert, die eine erste Einschätzung der Ergebnisse erlauben. Alles in allem stellt sich der erste Einsatz als Erfolg heraus, der Großteil der Apparate operierte zuverlässig und lieferte auf den ersten Blick spannende Ergebnisse.

Da die Außentemperaturen zeitweise über 15K höher als nach Standardatmosphäre erwartet. Dies hat zur Folge, dass das Flugzeug wegen der geringeren Luftdichte nicht mehr so hoch aufsteigen kann wie ursprünglich erwartet. Außerdem werden die Geräte, die auf Kühlung durch Außenluft angewiesen sind nicht mehr so effizient gekühlt und können überhitzen. Nicht zuletzt kann dadurch die Kabine ebenfalls zu warm werden: Die 230 K kalte Außenluft wird von 150 hPa auf 850 hPa in der Kabine komprimiert und würde sich ohne Kühlung auf 377 K erwärmen.

Durch die dadurch bedingten relativ hohen Temperaturen in der Kabine gegen Ende des Flugs kam es zu Problemen. Die betroffenen Arbeitsgruppen müssen es nun bis zum Transferflug am Montag schaffen, diese zu beheben.

Für die meisten geht es nun ans Packen, da die Container für die Luftfracht bis morgen abflugfertig sein müssen. Das bedeutet, dass alles, was in Shannon gebraucht und nicht auf dem Transferflug von HALO mitgenommen wird, zusammengepackt und verstaut werden muss.

Flugweg des geplanten Flugs am Montag nach Shannon

Verteilung der potentiellen Vorticity auf der 360K Isentropen. Der Bereich erniedrigter PV über dem Nordatlantik als Folge eines Brechungsereignisses einer planetaren Welle ist gut zu erkennen

 

Im Meeting um 14:00 Uhr wird dann der geplante Transferflug diskutiert und ein vorläufiger Flugplan erstellt. Dieser sieht vor, von Oberpfaffenhofen zunächst nach Norden zu fliegen, um dann über dem Zentrum einer in hohe Breiten reichenden negativen PV-Anomalie nach Südwesten abzudrehen. Außerdem ist eine hexagonale Flugroute vor der Westküste Irlands geplant, um durch die tomografischen Messungen des Geräts GLORIA ein 3D Bild der Region zu erhalten. Dieser Bereich wird dann später nochmals in verschiedenen Höhen gequert, um die Verteilung der Spurengase im Bereich erhöhter statischen Stabilität zu vermessen, bevor HALO Shannon erreicht. Von dem mit dem ersten Messflug vergleichbar langem Flug wird erhofft, dass über der Anomalie Austauschprozesse zwischen troposphärischer und stratosphärischer Luft zu beobachten sind.

13.09.2017 HALO hat die erste wissenschaftliche Mission erfolgreich beendet

Um 20.00 Uhr ist HALO gelandet. Die Mission konnte fast wie geplant durchgeführt werden. Im esrten Teil des Fluges wurde der Jet durchquert und die untere Stratosphäre knapp oberhalb der Tropopause vermessen.

Nach einer Kehre und einem Aufstieg auf etwa 13 km Höhe konnte die Region oberhalb des Strahlstroms vermessen werden und es wurden deutliche Signaturen starker Verrmischung beobachtet. Im letzten Abschnitt des Fluges hat HALO Dropsonden abgeworfen, um die Temperaturstruktur und Stabilität in der unteren Stratosphäre auch unterhalb des Flugweges zu vermessen.

HALO ist wieder gelandet

Einschulung auf HALO, Operator Björn nach seinem erfolgreichen Erstflug.

13.09.2017 HALO ist zum ersten wissenschaftlichen Flug gestartet

Früh beginnt der Tag für einige Mitarbeiter, die die Geräte warmlaufen lassen, erneut die Abläufe durchgehen oder noch ein letztes Mal alles überprüfen.

Um 8.25 Uhr wird dann beim Meeting besprochen, ob alle Gruppen und Apparaturen startklar sind. Außerdem bestätigt sich jetzt, dass der Flug entlang der geplanten Route stattfinden kann für einen Zehnstundenflug.

Als sich 10 Minuten später das Hangartor öffnet und das Flugzeug ausgehallt wird, sind tatsächlich alle Vorbereitungen abgeschlossen und auch die mitfliegenden Wissenschaftler ausgerüstet für 10 Stunden Flug.

Die restlichen Mitarbeiter finden sich gespannt auf der Dachterasse oder dem Vorplatz ein, um den Start zu beobachten. Nach einer kleinen Verzögerung von etwa 30 Minuten, startet HALO erfolgreich den ersten Messflug der Kampagne.

Take-off zum ersten wissenschattlichen Missionsflug von WISE

Ohne das Flugzeug und das geschäftige Treiben des Morgens wirkt der Hangar nun leer. Am Boden wird der Flug jedoch gespannt verfolgt mithilfe des Planet-Systems. Die Daten der Mission werden zum Teil live übertragen und können on-line mitverfolgt werden.

So kann auch kurzfristig auf sich verändernde Faktoren reagiert werden wie beispielsweise die Verschiebung des Umkehrpunktes aufgrund einer ungeplanten Warteschleife vor der französischen Westküste. Außerdem können Messungen besprochen und angepasst werden, die von der aktuellen Wetterlage abhängen.

12.09.2017  Letzte Vorbereitungen vor dem ersten Messflug

Da die Flugerlaubnis erteilt ist, steht dem ersten Messflug WISE_02 nichts mehr im Wege und somit beginnt die IOP (Fachchargon: „Intensive Operational Period“).

Für alle Mitarbeiter bedeutet dies, dass die letzten technischen Vorbereitungen laufen. Dabei werden die Geräte nochmals kalibriert, getestet und flugbereit gemacht. Auch die Flugplanung geht jetzt in die Endphase: anhand von aktuellsten meteorologischen Daten wird eine Flugroute erstellt. Dabei wird versucht sowohl die Wetterlage, als auch die verschiedenen Interessen der beteiligten Arbeitsgruppen einzubinden.

Der etwa 8000 km lange Flug soll etwa 10 Stunden dauern und sich von Oberpfaffenhofen aus vorerst nach Nordwesten wenden, um dann westlich von Norwegen nach Süden abzudrehen.

Dort wird die Region oberhalb des Jetstreams (Starkwindband mit Wingeschwindigkeiten von ca 150 km/h) untersucht. Die britischen Inseln überquerend und anschließend über dem Atlantik soll es plangemäß bis zur Westküste Portugals gehen und anschließend möglichst parallel zum Hinflug wieder zurück, um tomographische Analysen des Jets zu ermöglichen. Außerdem ist geplant, Dropsonden zu abzuwerfen, um die Temperaturstruktur genauer analysieren zu können.

 

01.09.2017 Wind und Wetter zum Trotz

Gestern Mittag ist HALO trotz schlechten Prognosen zum EMV Flug gestartet. Der EMV Flug sollte im TRA Allgäu stattfinden, das gestern Morgen noch von Gewittern heimgesucht wurde und im dem es zur Mittagszeit noch ordentlich bewölkt war. Keine gute Bedingungen um auf Sicht zu fliegen. Aber dank der Piloten und ein paar Wolkenlücken konnte der EMV Flug trotzdem wie geplant stattfinden und es wurde sogar das angepeilte Fluglevel 450 erreicht. UMAQS hat die Höhe wohl gut verkraftet und lief nach ersten Erkenntnissen wie es sollte. Auch bei allen anderen Geräten sind keine größeren Probleme aufgetreten. Bevor die Kampagne nun mit richtigen Messflügen startet, bleibt den Gruppen noch eine Woche, um den EMV Flug komplett zu bewerten und die letzten Tests durchzuführen. Hier noch ein paar Impressionen vom EMV Flug:

Flugweg der GLF5 in flighradar24.com

HALO im Regen nach der Landung

Das Regengebiet (der Beweis, dass in Bayern nicht nur die Sonne scheint)

31.08.2017 Platzrunden und EMV Flug

Heute morgen war Landetraining der Piloten angesagt. Schön zu sehen bei Flightradar24. Danach gab es ein kurzes Breefing für den EMV-Flug, der um 12:00 wie geplant starten soll und ca. 2 Stunden +/- dauern wird, je nach Wetterlage, da Gewitter gemeldet sind.

Platzrunden - das erste Mal, dass die WISE payload fliegt!

30.08.2017 EMV Flugtestvorbereitungen

Der heutige Tag steht zur Verfügung, um die Instrumente auf den EMV-Flug vorzubereiten, der am morgigen Donnerstag stattfinden soll. Die Vorhersagen sehen allerdings nicht besonders gut aus, da morgen im angepeilten Gebiet Gewitter und viele Wolken vorhergesagt sind. Bis dahin ist Daumendrücken angesagt und die Zeit wird genutzt, dass die mitfliegenden Wissenschaftler sich mit den Geräten anderer Gruppen, die nicht mitfliegen, vertraut machen können.

29.08.2017 Raus aus der Halle

Nach Wochen im Hangar wurde HALO heute ausgehallt. Der heutige schöne Tag wurde genutzt um Tests auf dem Vorfeld durchzuführen, vor allem vom SATCOM und Planet-System. Beide Systeme werden zur Kommunikation zwischen HALO und Boden genutzt.

Kurz vor der Ausfahrt

Ausgehallt.

25.08.2017 Abschluß Woche 3

Gestern Abend streifte uns noch ein Gewittersystem, begleitet von ein paar schöne Wolkenformationen.

Wolken vor Weßling

Der Freitag wurde dann genutzt um nochmal alle Druckluftflaschen zu vermessen. Um 15 Uhr gab es noch ein abschließendes Meeting, das die dritte Woche beendete. Danach machten sich die Mainzer auf in das wohlverdiente Wochenende.

24.08.2017 Testen, testen, testen

Seit gestern gibt es Strom vom Flugzeug, so dass alle Instrumente auf den EMV Test vorbereitet werden konnten. Die ersten Testläufe von UMAQS liefen soweit zufriedenstellend und die Messgenauigkeit liegt im gewünschten Bereich.

Aktuell läuft der EMV-Bodentest. Davor gab es auch nochmal Strom auf HALO um weitere Tests durchzuführen. Wenn dieser erfolgreich verlaufen sollte, wird danach fleißig weiter mit dem Instrument gearbeitet um die letzten Feinheiten einzustellen.

UMAQS in HALO

 

21.08.2017 Die dritte Woche in Oberpfaffenhofen hat begonnen ...

... mit angenehmen, sonnigen Wetter, nachdem die zweite Woche mich (Daniel) mit einem lauten Knall verabschiedet hat (siehe Radarbild vom Freitag Abend).

Parallel zum Anbau von GLORIA am Montag und Dienstag werden die letzten Instrumente geprüft, bevor dann die Vorbereitungen für den EMV Bodentest starten. Dafür erwarten wir am Mittwoch erstmals von allen teilnehmenden Gruppen Vertreter hier in Oberpfaffenhofen. Am Donnerstag soll dann planmäßig der EMV Test stattfinden. Falls dieser erfolgreich ist, können die Gruppen weiter ihre Instrumente in HALO testen.

 

18.08.2017 Ein kurze Woche in Oberpfaffenhofen

Die zweite Woche in Oberpfaffenhofen ist dank eines Feiertages am Dienstag und eines  Brückentags am Montag ein kurzes Vergnügen und neigt sich auch langsam dem Ende zu. Diese Woche sind Björn und Daniel im Einsatz. Gute Nachrichten gab es dann gleich am Mittwoch Morgen als das letzte Instrument über pünktlich aus Nepal von der STRATOCLIM Kampagne (https://www.blogs.uni-mainz.de/fb08-ipa/stratoclim-2017/) nach Oberpfaffenhofen geliefert wurde. GLORIA ist da und die Vorbereitungen zur Integration laufen schon. Alle anderen Geräte sind schon in HALO eingebaut und die entsprechenden Einbauprüfungen sind im vollen Gange. Das Wetter lässt uns dabei auch diese Woche nicht im Stich und man kann nach Feierabend die Fünfseenlandschaft genießen.

08.08.2017 Einbau in Oberpfaffenhofen hat begonnen

Seit Montag läuft die Einbauphase für die WISE Kampagne. Beteiligt sind neben Mainz die Universitäten aus Frankfurt/Main, Wuppertal, Heidelberg, die PTB Braunschweig sowie die Forschungszentren Jülich, Karlsruhe und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen.

Aus Mainz ist die AG Hoor mit Peter Hoor, Daniel Kunkel, Björn Kluschat und Thorsten Kaluza maßgeblich involviert. Darüber hinaus stehen mit Heiko Bozem und Jens Krause zwei erfahrene Kampagnenfüchse mit Rat und Tat zur Seite.

Bei Kaiserwetter in Oberpfaffenhofen wurden heute die ersten Messgeräte angeliefert. HALO ist komplett leer wird in den kommenden 10 Tagen mit Messgeräten zur Spurengasmessung neu bestückt.