Ein wesentlicher Wechselwirkunsaspekt in der Atmosphäre ist auch die Verkopplung der verschiedenen Schichten, und in der Tat ist angesichts der zunehmenden Rolle der mittleren Atmosphäre in Wetter- und Klimamodellen zu erwarten, dass dieser Prozess ein wachsendes Interesse finden wird. Solare Gezeiten sind ein Paradebeispiel für die Schichtenwechselwirkung. Diese Wellen werden in der Troposphäre durch den Tagesgang der solaren Heizung angeregt, breiten sich dann nach oben aus und wachsen (wie auch Schwerewellen) im Laufe dieser Ausbreitung (aufgrund der Energieerhaltung in einem Medium mit abnehmender Dichte) stark an. In der oberen Mesosphäre stellen sie eine wesentliche Komponente der Variabilität dar und zeigen eine deutliche Wechselwirkung mit den Schwerewellen. Mit dem Ziel der Interpretation der solaren Gezeiten eines allgemeinen Zirkulationsmodells wurde ein lineares Gezeitenmodell entwickelt, das erstmals auch die Wechselwirkung zwischen den Gezeiten und den stationären planetaren Wellen erfasst. Modellanalysen, mit einer guten Übereinstimmung mit den Gezeiten eines GCMs, zeigen einen signifikanten Einfluss planetarer Wellen auf die Gezeitenausbreitung (Grieger et al. 2004). In einer Folgearbeit wurde das lineare Modell auf das allgemeine Zirkulationsmodell HAMMONIA (MPI Hamburg) angewendet. Ein wesentliches Augenmerk galt hier die Interpretation des Jahresgangs der nichtmigrierenden Gezeiten. Es zeigt sich, dass weniger die Variation der solaren Heizung, sondern die der Hintergrundatmosphäre entscheidend ist. Dies könnte auf einen möglichen Effekt des solaren 11-Jahres Zyklus auf die solaren Gezeiten hinweisen, da einschlägige Untersuchungen einen Einfluss auf die zonalen Winde andeuten.

Bild 1: Breiten- und Höhenabhängigkeit der ganztägigen migrierenden Gezeit im Meridionalwind (in m/s) im GCM (HAMMONIA) und im linearen Modell. Gezeigt sind die Felder für 0h und 6h Lokalzeit.

Ein Augenmerk gilt in unserer Forschung der Wechselwirkung zwischen solaren Gezeiten und Schwerewellen. Schwerewellen breiten sich durch die Gezeitenfelder aus, brechen letztendlich und führen so zu einer durch die Gezeiten modulierten Beschleunigung, die wiederum einen wesentlichen Einfluss auf die Gezeiten nimmt. Bisherige Untersuchungen zu diesem Prozess hatten stark vereinfachte Parametrisierungsansätze verwendet, welche die horizontale Ausbreitung von Schwerewellen, ihre Beugung an horizontalen Gradienten in der Hintergrundströmung und auch die Beeinflussung der Phasengeschwindigkeiten der Schwerewellen durch die Gezeitenoszillationen vernachlässigt. Die Tragweite dieser Näherungen wurde mittels eines neuen Ray-Tracers (RAPAGI) untersucht, der in WKB-Näherung die Dynamik von Schwerewellen in der Atmosphäre beschreibt. Längs durch die lokale Gruppengeschwindigkeit definierter Strahlen werden Wellenlänge, Frequenz und Wellenamplitude prognostiziert. Es zeigt sich, dass sowohl die räumliche Abhängigkeit des Hintergrunds als auch die Oszillation der Gezeiten einen wesentlichen Einfluss ausüben. Im Vergleich zu herkömmlicheren Beschreibungen ist die Beschleunigung durch brechende Schwerewellen deutlich reduziert. Dies resultiert zum einen daraus, dass die Gezeitenoszillationen die Ausbildung kritischer Schichten verhindern, zum anderen ist es ein Ergebnis der meridionalen Ablenkung der Schwerewellenausbreitung (Senf und Achatz, 2011, eingereicht bei J. Geophys. Res., Achatz et al., 2012).

Bild 2: Breiten- und Höhenabhängigkeit der Amplitude der Gezeitenbeschleunigung (ganztägige Gezeit) durch brechende Schwerewellen. Gegenüber dem realistischen Resultat (links) führen traditionelle Näherungen, welche den Effekt der Gezeitenoszillationen auf die Phasengeschwindigkeit der Schwerewellen (Mitte) oder zusätzlich auch die Beugung an horizontalen Gradienten im Hintergrund vernachlässigen (rechts) zu einer starken Überschätzung der Beschleunigung.

Literatur

geändert am 31. Oktober 2011  E-Mail: Webmasterkissmann@iau.uni-frankfurt.de