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Leuchtende Nachtwolken

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Vorhersage des Auftretens Leuchtender Nachtwolken

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Einführung

Wer Leuchtende Nachtwolken beobachten möchte, muss vor allem eines aufbringen - Geduld. Unter Umständen wird man im Juni und Juli zahlreiche Nächte vergeblich auf der Lauer liegen, bis sich endlich ein Erfolg einstellt. Bei den wenigsten dürften Beruf und/oder Familie es freilich zulassen, in den Sommermonaten Nacht für Nacht auf NLC-Jagd zu gehen. Es wäre daher wünschenswert, das Auftreten Leuchtender Nachtwolken vorhersagen zu können. Um es gleich vorweg zu nehmen: eine zuverlässige NLC-Vorhersage ist (bislang zumindest) nicht möglich. Jedoch sind inzwischen Daten verfügbar, welche zumindest die Wahrscheinlichkeit eines Beobachtungserfolgs abschätzen lassen. Wie diese Daten zu interpretieren sind und welche Aussagekraft sie besitzen, wird in den nachfolgenden Abschnitten erklärt.

Statistiken

Aus langjährigen Beobachtungen, die z.B. in der NLC-Chronik zusammengestellt sind, lassen sich einfache statistische Daten zur durchschnittlichen Häufigkeit des Auftretens von Leuchtenden Nachtwolken ableiten. Dabei handelt sich um Durchschnittswerte eienr insgesamt erheblichen Schwankungsbreite. So hat es bereits 2. und 3. Junidekaden gegeben, in denen in 9 der 10 Nächte NLCs beobachtet wurden - aber auch solche ohne ein einziges Displays. Immerhin zeigt nachstehende Übersicht zweifelsfrei, dass Beobachtungserfolge im Zeitraum 10. Juni bis 20. Juli deutlich wahrscheinlicher sind als zu Anfang und Ende der Saison. Dabei ist freilich zu berücksichtigen, dass viele NLC-Displays nur in der Nordhälfte Deutschlands sichtbar sind. Die aufgeführten Häufigkeiten sind daher als Erwartungswerte für die Südhälfte unseres Gebietes deutlich zu hoch. Wer einen Urlaub zwecks Beobachtung von NLCs plant - sei es nun zu Hause oder aber als Reise in den Norden Deutschlands - sollte diesen in den o.g. Zeitraum legen.

Häufigkeit Leuchtender Nachtwolken

Statistiken zeigen zwar die besten Beobachtungszeiträume, helfen aber nicht bei der Entscheidung, ob man für die kommende Nacht eine Beobachtung planen sollte oder eher nicht. Dafür benötigt man möglichst aktuelle Daten, mit welchen sich die weiteren Abschnitte beschäftigen.

AIM-Satellit

Der 2007 gestartete NASA-Satellit AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) dient ausschließlich der Erforschung Polarer Mesospärischer Wolken (= Leuchtende Nachtwolken). Mit dem Instrument CIPS (Cloud Imaging and Particle Size Experiment) werden UV-Bilder der NLCs in den polaren Regionen angefertigt. Die Fotos werden wegen ihrer Form salopp als "Daisies" bezeichnet. Es handelt sich um Komposite vieler Einzelaufnahmen. Da diese erst zusammengesetzt werden müssen, hinken die veröffentlichten Daisies 3 Tage hinter dem Aufnahmedatum her. Daher sind sie zur Vorhersage Leuchtender Nachtwolken ungeeignet. Hinzu kommt, dass NLCs südlich des 65. Breitengrades kaum und südlich des 60. Breitengrades gar nicht abgebildet werden (Erklärung), also genau der Bereich, in dem es für Mitteleuropa interessant wird. Somit kann man auch in der Rückschau keinen Vergleich mit Beobachtungen am Boden gewinnen. Trotzdem haben die Daisies für NLC-Beobachter einen gewissen Wert, weil sie einen generellen Eindruck der Intensität Leuchtender Nachtwolken im Nordpolar-Gebiet geben. Je dichter und intensiver die NLCs auf den Satellitenbildern erscheinen und je mehr sie sich der Erfassungsgrenze bei 60 Grad Nord nähern, umso größer sind die Chancen auf beobachtbare NLCs bei uns.

"Daisy" vom 25.06.2014 mit einer geschlossenen Kappe Polarer Mesosphärer Wolken über dem Nordpolar-Gebiet

Zubeginn und Ende der Saison sind die Daisies ein zuverlässiger Indikator, ob die Mesopause-Region generell bereits bzw. noch kalt genug zur Ausbildung von NLCs ist. Erst wenn auf den AIM-Fotos irgendwann im Mai Leuchtende Nachtwolken auftreten, machen Beobachtungsversuche überhaupt Sinn. Wenn die Daisies im August keine NLCs mehr abbilden, ist die Saison auf der Nordhalbkugel mit Sicherheit beendet.

Das jeweils aktuelle Daisy kann man auf der Homepage des Laboratory for Atmospheric and Space Physics der University of Colorado abrufen. Dort findet sich auch ein Archiv aller Aufnahmen seit 2007.

Microwave Limb Sounder (MLS)

Neben den "Daisies" gibt es noch einen weiteren Plot, welcher Informationen über den generellen Zustand der Mesopause-Region bietet, in diesem Fall über Temperatur und Wasserdampfgehalt. Die Grafik resultiert aus Daten des Microwave Limb Sounders (MLS), welcher sich auf dem NASA-Satelliten Aura befindet. Dieser kreist auf einer polaren sonnensynchronen Umlaufbahn (Inklination 98°) in etwa 710 km Höhe. Der Plot wird automatisch mittels eines Skripts erstellt, welches der Wissenschaftler Hugh Pumphrey von der School of GeoSciences (University of Edinburgh) geschrieben hat.
Wie die Daisies hinkt auch diese Darstellung um 3 Tage zurück, ist also für die Prognose etwaiger NLC-Aktivität nicht einsetzbar. Auch für rückblickende Vergleiche mit NLC-Beobachtungen ist sie nur bedingt brauchbar, denn sie bildet den Zustand der Mesopause über den Britischen Inseln im Sektor 50 - 60°N und 2°E bis 8°W ab. Dieser liegt allerdings zumindest vom Nordwesten Deutschlands nicht weit entfernt.

Temperatur und Wasserdampfgehalt in der Mesophäre über den Britischen Inseln ermittelt aus Daten des MLS-Instruments

Durch den direkten Vergleich mit den Kurven frührerer Jahre bieten die MLS-Daten zu Zubeginn und Ende der Saison einen weiteren Indikator, ob die Mesopause-Region generell bereits bzw. noch "reif" zur Ausbildung von NLCs ist.
Den jeweils aktuellen Plot kann man in der Datensammlung von Hugh Pumphrey abrufen.

Middle Atmosphere Alomar Radar System (MAARSY)

Das bei Andenes auf der nordnorwegischen Insel Andøya stationierte und vom IAP in Kühlungsborn betriebene Middle Atmosphere Alomar Radar System (MAARSY) arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das im folgenden Abschnitt ausführlich beschriebene OSWIN. Es erfasst NLCs, welche in Zenitnähe über Andenes stehen. Da sich der Standort mehr als 1500 km nördlich der deutschen Grenze befindet, bleiben dort detektierte Leuchtende Nachtwolken weit unter unserem Horizont. Die seit 2007 mit dem Satelliten AIM durchgeführten Beobachtungen haben belegt, dass sich die NLCS zu Beginn der Saison zunächst in sehr hohen nördlichen Breiten zeigen - also genau dort, wo MAARSY stationiert ist. Im Unterschied zu den "Daisies" sind die Radardaten jedoch in Echtzeit verfügbar. Sie geben daher im Mai oft den ersten verfügbaren Nachweis von NLCs (und im August den letzten). Die Erfahrung zeigt, dass in der Regel wenige Tage nach dem ersten Auftreten von eindeutigen MAARSY-Echos auch am deutschen Radar OSWIN Echos aus der Mesopause-Region empfangen werden. MAARSY ist neben AIM und MLS also der dritte und zugleich wichtigste generelle Indikator für den Beginn und das Ende der nordhemisphärischen NLC-Saison.

Beispielplot des MAARSY-Radars
Ostsee-Wind-Radar (OSWIN)

Das vom Institut für Atmosphärenphysik (IAP) in Kühlungsborn (Mecklenburg-Vorpommern) betriebene Ostsee-Wind-Radar (OSWIN) bietet durch seine Echtzeit-Daten das einzige Tool, welches zur kurzfristigen Vorhersage von Leuchtenden Nachtwolken in Mitteleuropa geeignet ist.

Was misst OSWIN?
OSWIN empfängt in den Sommermonaten Echos aus der Höhenschicht zwischen 80 und 90 km, welche als Mesophärische Sommerechos (MSE) bezeichnet werden. Die durch das Radar registrierten MSEs entstehen nicht durch direkte Reflektion an Eiskristallen, aus denen die NLCs bestehen, sondern durch Ladungsträger, d.h. freie Elektronen, welche sich an den Eiskristallen anlagern. Genau genommen erfasst OSWIN die Bewegung der Ladungsträger, welche wiederum aus der Verdriftung der Eiskristalle mit den Höhenwinden resultiert. Freie Elektronen treten in der Mesopause-Region nur dann auf, wenn dort die Sonne über dem Horizont steht und mit harten UV-Strahlen Luftmoleküle ionisiert. Die Region, in der die NLCs auftreten, zählt zur Ionosphäre, genauer befindet sich dort deren D-Schicht. Diese ist nicht permanent, sondern verschwindet sofort nach Sonnenuntergang durch Rekombination der Ionen. Daher sind NLCs mit Radar nachts nicht nachweisbar, zumindest nicht in unseren Breiten. In Andenes, wo die Sonne zwischen Mitte Mai und Ende Juli permanent über dem Horizont steht, liefert das dortige MAARSY-Radar rund um die Uhr Echos. MSEs sind also nichts anderes als die Beobachtung von Leuchtenden Nachtwolken im Radiowellen-Bereich.
Allerdings können sich Elektronen auch an Eiskristallen anlagern, welche zu klein sind, um sichtbare oder mit LIDAR nachweisbare Leuchtende Nachtwolken hervorzubringen. Dies ist einer der Gründe, warum auf Tage mit MSEs nicht immer Nächte mit NLCs folgen. Weiterhin können die tagsüber registrierten Eiskristallwolken bis zum Einbruch der Nacht bereits in wärmere Luftschichten abgesunken sein und sich somit aufgelöst haben. Hinzu kommt, dass das Radar nur in Zenitnähe abtastet. Ein NLC-Feld, welches z.B. über Flensburg steht, wird in Kühlungborn gar nicht erfasst. Aus diesem Grund können auch nach echofreien Tagen durchaus Leuchtende Nachtwolken beobachtet werden. Schließlich können sich NLCs auch erst nach Sonnenuntergang, wenn OSWIN keine Echos mehr liefert, bilden bzw. aus weiter nördlich gelegenen Regionen heranziehen.
Beispielplot des OSWIN-Radars
Vergleich MSEs und NLCs
In einer Tabelle (Download als pdf, 167 kb) wurde an Hand von archivierten OSWIN-Plots des IAP und der NLC-Chronik jeweils für die Monate Juni und Juli der Jahre 2007 bis 2017 das Auftreten von MSEs am Tag und von NLCs in der darauf folgenden Nacht gegenüber gestellt. Abzüglich mehrerer Zeitabschnitte, für die keine OSWIN-Daten zur Verfügung stehen, bleiben 570 auswertbare Tage, von denen 404 MSEs und 265 NLCs lieferten.
- 80% der NLC-Nächte gingen MSEs voraus
- 20% der NLC-Nächte gingen keine MSEs voraus
- 5% der beobachteten NLCS traten ohne vorhergehende oder nachfolgende Echos auf ("Isolierte NLCs")
- 30% der echofreien Tage folgten NLCs
- 52% der Tage mit MSEs folgten in der anschließenden Nacht visuell erfassbare NLCs
Letztgenannte Zahl ist per se keine sonderlich beeindruckende Quote. Zusammen mit der Erkenntnis, dass die meisten (80%) der NLC-Displays auf Tage mit MSEs folgen, lässt sich aber zunächst festhalten, dass die Erfolgschancen nach MSE-freien Tagen wesentlich geringer sind als nach Tagen mit MSEs.
Zu beachten ist, dass auf Grund großflächiger Bewölkung in manchen Nächten trotz der hohen Beobachterdichte (u.a. durch zahlreiche automatische Webcams) nirgendwo in Deutschland NLC-Sichtungen möglich waren, während OSWIN durch troposphärische Wolken nicht behindert wird. Demnach dürfte die tatsächliche Zahl von NLC-Nächten etwas höher und die Korrelation zwischen MSEs und NLCs etwas stärker sein, als hier angegeben.
Die Mehrzahl der NLC-Displays ist nur im Norden Deutschlands, oberhalb etwa des 52. Breitengrades sichtbar. Deshalb sind die aufgezeigten Zusammenhänge zwischen MSEs und NLCs streng genommen auch nur dort gültig.
Späte Echos
Die nächste Frage ist, ob es eine Rolle spielt, wann am Tag Echos auftreten. Man sollte annehmen, dass die Chancen auf NLCs höher sind, wenn Echos kurz vor Sonnenuntergang produziert werden, da dann die Wahrscheinlichkeit einer zwischenzeitlichen Auflösung der Eiskristalle geringer sein dürfte. Schaut man sich gezielt die Tage an, an denen mindestens bis 20 Uhr MESZ (18 Uhr UT) MSEs registriert wurden ("Späte Echos"), ergibt sich:
- Nach 71% der Tage mit späten Echos wurden NLCs beobachtet
- Nach 77% der Tage mit kräftigen späten Echos wurden NLCs beobachtet
Hier ist der Vorhersagewert bereits recht hoch, allerdings auf einer wesentlich geringeren Datengrundlage (115 bzw. 39 Tage mit entsprechenden Echos).
Schließlich gab es in dem 11jährigen Referenzzeitraum 30 Tage, an denen Echos noch um 21 Uhr MESZ (= 19 Uhr UT) oder später auftraten ("Sehr späte Echos"). In 26 Fällen (87%) wurden anschließend NLCs beobachtet. Sehr späte Echos sind in aller Regel schwach, weil um diese Zeit bereits die Rekombination bei weitem stärker ist als die Neubildung von freien Elektronen. Andererseits sind solche Echos allein durch ihr Auftreten bereits ein Indiz für starke NLC-Aktivität.
Lange Echos
Schließlich bleibt noch zu klären, welchen Vorhersagewert langanhaltende Echos besitzen. Als "Lange Echos" seien solche definiert, welche über einen Zeitraum von mindestens 12 Stunden ununterbrochen oder aber mit Unterbrechungen von insgesamt höchstens 3 Stunden Dauer anhalten. Auf Grundlage der archivierten Datensätze ist hier nur eine Auswertung der Jahre 2007 - 2014 sowie 2017 möglich. In diesem Zeitraum traten an 27 Tagen lange Echos auf, darunter 21 Tage mit zugleich späten oder sehr späten Echos. Das Ergebnis ist:
- Nach 67% der Tage mit langen Echos wurden NLCs beobachtet
- Nach 75% der Tage mit langen und zugleich späten bzw. sehr späten Echos wurden NLCs beobachtet
Offenbar ist die Wahrscheinlichkeit, dass NLCs auftreten, in Nächten nach langen Echos höher als in Nächten nach kürzeren Echos. Allerdings ist die Datengrundlage hier ebenfalls recht dünn.
Für den Zeitraum 2003 - 2010 liegen detaillierte Auswertungen von Olaf Squarra vor, welche sich vor allem auf späte und sehr späte OSWIN-Echos beziehen.
Juliusruh-MF-Radar

Ebenfalls vom IAP betrieben wird das Juliusruh-MF-Radar im Norden der Insel Rügen. Es führt Windmessungen in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre durch. Relevant ist auf der vorstehend verlinkten Seite der Plot unten links, welcher für das Höhenprofil von 60 bis 100 km Windrichtung und Windgeschwindigkeit aufzeigt, jeweils für die letzten 24 Stunden getrennt nach zonaler (West-Ost) und meridionaler Komponente (Nord-Süd). Weht in dem Bereich zwischen 80 und 90 km über einen längeren Zeitraum ein kräftiger nach Süden gerichteter Wind (grüne und blaue Farbe), so besteht die Chance, das besonders kalte Luftmassen von Norden herangeführt werden, welche eine NLC-trächtige Lage hervorbringen könnten. Dies ist also anders als die OSWIN-Messungen kein direkter Nachweis von NLCs, sondern lediglich ein Hinweis auf günstige Bedingungen in der Mesopause-Region. Werden z.B. in einer Nacht an der Ostsee NLCs beobachtet und herrscht am folgenden Tag in der entscheidenden Höhenschicht eine permanente kräftige Südströmung, so ist dies ein Indikator, dass auch in der folgenden Nacht mit NLCs zu rechnen ist, insbesondere wenn OSWIN zugleich MSEs anzeigt.

Beispielplot der Windmessungen in Juliusruh
Mesosphere-Stratosphere-Troposphere (MST) Radar Facility

Vom Natural Environment Research Council (NERC) wird in Aberystwyth (Wales) das MST-Radar betrieben, welches nach dem gleichen Prinzip arbeitet wie OSWIN. Da es weit westlich unseres Beobachtungsgebietes steht (Koordinaten: 52.42°N, 4.01°W), besitzt es für uns keine direkte Relevanz. Werden jedoch am gleichen Tag MSEs sowohl an OSWIN als auch an MST registriert (Echtzeit-Plot), ist dies ein starkes Indiz für eine großflächige Abkühlung der Mesopause-Region in mittleren nördlichen Breiten. MST stellt also in solchen Fällen einen zusätzlichen Indikator für NLC-trächtige Situationen dar.

Beispielplot des MST-Radars
Webcams

Bei der kurzfristigen Beobachtungsplanung können auch Webcams von Nutzen sein, welche in der Lage sind, NLCs zu erfassen. Dabei macht man sich zu Nutze, dass der Zeitraum, in welchem ein ausreichender Dämmerungsgrad von Südosten nach Nordwesten (am Abend) bzw. von Nordosten nach Südwesten (am Morgen) fortschreitet im deutschen Sprachraum bis zu 90 Minuten beträgt. Daraus resultieren "Vorwarnzeiten", um einen geeigneten Beobachtungsort aufzusuchen. Was dabei zu beachten ist, wird auf einer separaten Seite erläutert.

Schlussfolgerungen für die Beobachtungsplanung

Während mehrere Indikatoren eine recht zeitnahe und zuverlässige Bestimmung von Beginn und Ende der nordhemisphärischen NLC-Saison erlauben, ist für die kurzfristige Vorhersage Leuchtender Nachtwolken und damit für die tägliche Beobachtungsplanung das einzige Hilfsmittel der Plot der von OSWIN empfangenen MSEs. Im Einzelfall mag das Juliusruh-Radar vielleicht zusätzliche Anhaltspunke bieten. Setzt man die gefundenen Korrelationen zwischen dem Auftreten von MSEs und NLCs in Beziehung zu den langjährigen Mittelwerten der NLC-Häufigkeiten, lassen sich zumindest für die Kernsaison vom 10. Juni bis 20. Juli zwei Empfehlungen ableiten:
- Nördlich des 52. Breitengrades lohnen Beobachtungsversuche nach Tagen, in deren Verlauf irgendwann MSEs registriert wurden.
- Südlich des 52. Breitengrades lohnen Beobachtungsversuche nach dem Auftreten später und sehr später Echos am ehesten.

Der beste Zeitpunkt für die tägliche Kontrolle des OSWIN-Plots ist im Hinblick auf den hohen Vorhersagewert später Echos kurz nach 20 Uhr MESZ. Für die seltenen sehr späten Echos empfiehlt sich ein weitere Kontrollblick nach 21 Uhr MESZ. Besonders Beobachter im Westen des deutschen Sprachgebiets können zudem von im Osten stationierten Webcams profitieren, auf welchen Leuchtende Nachtwolken - wenn sie denn auftreten - am Abend bzw. Morgen früher sichtbar werden als am eigenen Standort.