Atmosphärische Messungen

MST-Radar

Dopplerradare, die im Frequenzbereich zwischen 40 und 55 MHz betrieben werden, sind für die Untersuchung verschiedener dynamischer Prozesse in der mittleren und unteren Atmosphäre geeignet. Ihre Einsatzmöglichkeiten in den Höhenbereichen der Meso-, ​​Strato- und ​​Troposphäre führte zu der allgemeinen Bezeichnung MST Radar. Diese Geräte erlauben die wetterunabhängige und ganzjährige  Sondierung der Atmosphäre im Höhenbereich von etwa 1 bis 20 km. Aus den empfangenen Rückstreusignalen können Höhenprofile der Radarreflektivität, des 3-D Windvektors sowie mittels der Doppler-Beam-Swinging (DBS) Methode oder Interferometrie abgeleitet werden. Während der Sommer- und Wintermonate können unter besonderen Bedingungen allerdings auch Radarsignaturen in der Mesosphärenregion detektiert werden. Die Erforschung dieser sogenannten (polaren) mesosphärischen Echos ist eines der Haupteinsatzgebiete der MST-Radare des IAP, des OSWIN-Radars in Kühlungsborn (54.12°N, 11.77°E) und des MAARSY-Radars auf der nord-norwegischen Insel Andøya (69.30°N, 16.04°E).

Ansicht des MAARSY-VHF-Radars

Middle Atmosphere Alomar Radar System – MAARSY

Im Frühjahr 2011 wurde auf der nordnorwegischen Insel Andøya (69.30°N, 16.04°E) nach zweijähriger Bauzeit das neue Middle Atmosphere Alomar Radar System (MAARSY) fertiggestellt. MAARSY ersetzt das bisherige ALWIN-Radar, welches kontinuierlich mehr als 10 Jahre lang auf Andøya betrieben wurde. Das neue Radar wurde mit der Zielstellung entworfen, horizontale Strukturen Polarer Mesosphärischer Sommerechos (PMSE), verursacht durch mesosphärische Eiswolken, mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu erfassen und dreidimensionale Strukturen des Windfeldes und turbulente Parameter zu untersuchen.

MAARSY ist ein monostatisches Radar mit einer aktiven Phased-Array-Antenne. Die Radarfrequenz ist 53.5 MHz und die maximale Spitzenleistung beträgt ca. 800 kW. Die Antenne besteht aus 433 3-Elemente-Yagi-Antennen, die in einer gleichseitigen Dreiecksgitterstruktur angeordnet sind. Die folgende Abbildung zeigt eine Skizze des MAARSY Antennenfeldes. Das kreisrunde Feld, mit einem Durchmesser von 90m, entspricht einer Fläche von ca. 6300 m2. Die Antenne besitzt ein symmetrisches Strahlungsdiagramm mit einer Strahlbreite von 3.6° und einem Richtungsgewinn von 33.5 dBi. Die Dreiecksgitterstruktur des Antennenfeldes ermöglicht es, den Strahl bis zu 30° aus dem Zenit heraus in jede beliebige Himmelsrichtung zu schwenken, ohne das Nebenkeulen die Richtwirkung beeinträchtigen.

Das Antennenfeld ist in 61 Untergruppen unterteilt, 55 der Gruppen sind Sechsecke und bestehen aus jeweils 7 Antennen, 6 Untergruppen enthalten jeweils 8 Antennen und benden sich am Rand des Antennenfeldes, wodurch das Gesamtfeld einer Kreisform angenähert wird. Der Öffnungswinkel des Strahlungsdiagramms einer einzelnen Sechseckstruktur beträgt ca. 30°, der einer Kombination von 7 benachbarten hexagonalen Untergruppen (Annemonen-Struktur) beträgt ca. 11°.

Die 433 am IAP entwickelten und gebauten Yagi-Antennen sind mittels gleichlanger Kabel mit 433 Sende-Empfangs-Modulen verbunden, die sich in 6 Containern am Rande des Feldes befinden. Frequenz, Phase und Ausgangsleistung der Transceiver sind regelbar und werden kontinuierlich überwacht. Die Sende- und Empfangstechnik des Radars wird von der australischen Firma Genesis Software Pty Ltd hergestellt.

Auf dem Empfangsweg werden die Ausganssignale von jeweils 7 Transceivern, die jeweils 7 Antennen einer Wabenstruktur zugeordnet sind, zu insgesamt 61 Empfangssignalen zusammengefasst und über gleichlange Koaxialkabeln dem Radarkontrollhaus zugeführt (Latteck et al.,2012). In der ersten Ausbaustufe kommt dort ein 16-Kanal-Empfangssystem zum Einsatz. Daher werden über 9 steuerbare Multifunktionscombiner weitere Signalzusammenfassungen benachbarter Antennengruppen (Anemonen) vorgenommen oder Signale einzelner Waben ausgewählt und auf 15 Kanäle der Datenerfassung geschaltet. Dieses ermöglicht die Auswahl einer Vielzahl von Kombinationen separierter Empfangsantennengruppen für interferometrische Applikationen, wie z.B. die Anwendung bildgebender Verfahren zur Untersuchung mesosphärischer Strukturen (Sommer et al., 2016) oder die Positionsbestimmung von Meteorkopfechos (Schult et al., 2015). Ein zweites Ausgangssignal jedes Multifunktions-Combiners ist fest mit einem 9-zu-1-Combiner verbunden, dessen Ausgang somit das zusammengesetzte Empfangssignal des gesammten Antennenfeldes liefert. Dieses wird auf den 16. Empfangskanal der Datenerfassung geführt, der für klassische Doppler-Beam-Swinging-Experimente reserviert ist.

Die Pulsfunktionalität des Radars erlaubt die quasi-simultane Aussendung von Signalen verschiedener Längen. Damit ist es möglich, für Schichten mit einem typisch hohen Rückstreukoeffizienten wie der unteren Troposphäre einen kurzen Puls, für die rückstreuärmere obere Troposphäre und untere Stratosphäre wie auch die Mesosphäre dagegen einen langen, kodierten Puls, mit höherer mittlerer Leistung, auszusenden. Im Standardbetrieb werden daher zeitgleich Messungen in der Meso-, Strato- und Troposphäre durchgeführt; ab 1,5 km Höhe mit 150 m Auflösung und ab 6 km Höhe mit 300 m Auflösung.

Im Jahr 2018 wurde das aus der Nachrichtenkommunikation bekannte MIMO-Verfahren in die reguläre MAARSY-Radarsteuerung integriert. Ein Firmwareupgrade ermöglicht nun das Senden in voneinander unabhängigen Abschnitten des gesamten Antennenfeldes. In Kombination mit den vorhandenen 15 Empfangskanälen, die mit einzelnen Antennenuntergruppen (Hexagonen) verbunden sind, entsteht eine größere, virtuelle Antennenapertur. In Kombination mit bildgebenden Verfahren können nun mesosphärische Strukturen mit einer vorher unerreichten Winkelauflösung von etwa 0,6° erfasst werden

Messungen Mesosphäre

Atmosphärische

Messung Troposphäre – Stratosphäre – Mesosphäre

OSWIN-VHF-Radar

Das Ostsee-Wind-Radar OSWIN

1997-1998

Von September 1997 bis September 1998 wurde auf dem Institutsgelände in Kühlungsborn (54.1° N; 11.8° E) ein VHF-Radar zur Untersuchung der Dynamik und Struktur der Tropo-, Strato- und Mesosphäre betrieben. Die Sende- und Empfangstechnik wurde Anfang Oktober 1998 nach Andenes/Norwegen (69.01° N; 16.03° O) transportiert und war dort von Oktober 1998 bis September 2008 als Alomar Wind Radar (ALWIN) in kontinuierlichem und unbeaufsichtigten Betrieb (Latteck et al, 1999).

1999-2013

Im Sommer 1999 wurde in Kühlungsborn mit dem bestehenden Antennenfeld und einer neuen Sende-Empfangstechnik das OSWIN-VHF-Radar in Betrieb genommen. OSWIN ist ein monostatisches Radar mit einer Phased-Array-Antenne bestehend aus 144 Vier-Elemente-Yagi-Antennen, die in quadratischen Subsystemen aus jeweils 4 Antennen in einer 6×6 Matrix angeordnet sind. Durch phasenversetztes Anteuern der sechs Antennenzeilen oder -spalten ist es möglich, die Antennenkeule in jeweils drei Zenitwinkeln (7°, 13°, 20°) in die vier Himmelsrichtungen Nord, Süd, Ost und West zu schwenken. Des weiteren ist es möglich, das Antennenfeld im Empfangsfall  in sechs Einzelfelder zu je 6 Subsystemen (4×6 Antennen) aufzuteilen, die den sechs Empfangskanälen zugeordnet werden können. Höhenprofile des 3-D Windvektors und der Radarreflektivität können so nach der Spaced-Antenna (SA) und Doppler-Beam-Swinging (DBS) Methode in einem kontinuierlichen und unbeaufsichtigten Betrieb bestimmt werden.

Technische Parameter

Frequenz 53,5 MHz
Spitzenleistung 90 kW
Mittlere Leistung 4,5 kW (bei 5% Duty Cycle)
3dB-Strahlbreite
Impulslänge 1 … 32 µs
Pulswiederholfrequenz < 50 kHz
Höhenbereiche (0,4) 1 … 18 km (65 … 95 km)
Höhenauflösung 150 m, 300 m, 600 m, 1000 m
Zeitauflösung ~ 1 min
Sendesignal Einzelimpuls, Komplementärkodes
Impulsformen Rechteck,  modifizierter Gauß (für max. Leistung)
2014

Im Frühjahr 2014 wurde das Antennenfeld des OSWIN-Radars grundlegend erneuert. Das neue Antennenfeld basiert auf der hexagonalen Struktur der MAARSY-Antenneund besteht aus insgesamt 133 3-Element-Yagi-Antennen, die in 19 Untergruppen a 7 Antennen angeordent sind. Jeweils drei benachbarte Untergruppen werden zur Zeit zusammengefasst und mit dem bestehenden 6-Kanal Sende- und Empfangssystem verbunden. Diese Anordnung ermöglichen den sogenannten spaced antenna Betrieb zur Windmessung.

Die an MAARSY angelehnte Struktur des Antennenfeldes ist auf eine zukünftige Modernisierung des OSWIN-Radars ausgerichtet. Ziel ist es dabei, das OSWIN-Radar technologisch auf denselben Stand wie MAARSY zu bringen. In einer ersten Phase wird das bestehende 6-Kanal-Sende-Empfangssystem durch ein 19-Kanal-Sytem ersetzt. Die finale Ausbaustufe sieht den Einsatz von 133-Sende-Empfangs-Modulen vor, die jeweils mit einer der 133 Yagi-Antennen verbunden sind. Damit kann der Radarstrahl von Puls zu Puls in jede beliebige Richtung geschwenkt werden, so dass die Atmosphäre dreidimensional vermessen werden kann. Zusätzlich soll sich das neue OSWIN-Radar gegenüber MAARSY durch eine verbesserte Empfangstechnik sowie eine erweiterte Modularität und Funktionalität auszeichnen, die es ermöglicht, das Radar auf verschiedenen Frequenzen und mit abgesetzten Empfangseinheiten zu betreiben. Durch das gleiche technologische Grunddesign in Nordnorwegen und Kühlungsborn werden neben den daraus resultierenden wissenschaftlichen Möglichkeiten außerdem Synergieeffekte bei der technischen Betreuung und dem Betrieb der Radargeräte erreicht.

Mesosphäre

Messungen

Troposphäre

Messung

MF-Radare

Mittelwellen-Atmosphärenradare (Medium frequency MF-Radar) werden typisch zwischen 2 und 3,5 MHz betrieben. Diese Systeme erlauben die kontinuierliche Beobachtung von Radarechos aus der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre. Radarechos werden aufgrund partieller Reflektion an relativ scharfen Grenzen verschiedener Brechungsindizes ermöglicht, aus denen dann, je nach Zustand der Atmosphäre, der Wind für die Höheregion von 60 km bis 100 km bestimmt werden kann. Die Bestimmung des Horizontalwindes geschieht über zwei allgemeine Methoden, die von der Komplexität des  jeweiligen Radars abhängen:

  • Das Doppler-Beam-Swinging (DBS) Verfahren, bei dem der Radarstrahl nacheinander in verschiedene, typisch azimutal 90° versetzte, Richtungen geschwenkt wird. Aus den bestimmten radialen Geschwindigkeiten der jeweiligen Strahlrichtungen werden, unter der Annahme der Homogenität, der mittlere Vertikal- und Horizontalwind berechnet.
  • Beim Spaced Antenna (SA) Verfahren wird sendeseitig typisch nur ein vertikaler Radarstrahl verwendet. Für den Empfangsfall werden mindestens drei unabhängige Empfänger-Antennengruppen verwendet, deren Empfangssignale mittels Kreuzkorrelationsverfahren miteinander verglichen werden. Aus der Bewegung und zeitlichen Veränderung der empfangenen Muster und der räumlichen Anordnung der Antennengruppen können der Horizontalwind, die Kohärenzzeiten und –längen der streuenden Schichten bestimmt werden.

Aus den bestimmten Windfeldern können anschließend z.B. Wellenparameter und Energiedissipationsraten abgeleitet werden. Das Saura-MF-Radar erlaubt zusätzlich die Abschätzung der Elektronendichten durch differentielle Amplituden- und Phasenmessungen.

MF-Radare am IAP:

  • Saura MF-Radar (69°N, 16°O – DBS, SA)
  • Andenes MF-Radar (69°N, 16°O – SA)
  • Juliusruh MF-Radar (54°N, 13°O – DBS, SA)

Abbildung 1. Bild des Saura-MF-Radars, eines der größten existierenden MF-Radare.

Abbildung 2: Beispiel einer höhen- und zeitlich aufgelösten Bestimmung des Neutralwindes (Meridionalwindkomponente) mit dem Saura MF Radar für den 7. Juni 2010. Positiv markierte Flächen beschreiben einen nord-wärtigen Wind. Deutlich hervorgehoben ist das Muster der halbtägigen Gezeit in den Höhen von 80 bis 100 km.

Das Saura-MF-Radar

69.14°N, 16.02°O

Im Juli 2002 wurde nahe der Andoya Space Center und des ALOMAR Observatoriums ein neues MF-Radar mit geringer Strahlbreite installiert, um die bodengebundenen Möglichkeiten zum Studium der Dynamik in der oberen Mesosphäre (kleinräumige Strukturen, Turbulenz) zu verbessern. Die Eigenschaften der atmosphärischen Streuquellen von Funkwellen können nun in einem breiteren Frequenzbereich zusammen mit dem MAARSY-VHF-Radar auf 53,5 MHz im gleichen Messvolumen untersucht werden.

Das Radar wurde von der Firma Atmospheric Radar Systems (ATRAD)entwickelt. Die herausragende Eigenschaft dieses Radars ist seine Antenneanlage, die aus 29 gekreuzten Halbwellen-Dipolen besteht, die in Form eines Kreuzes angeordnet sind (Mills Cross). Der Abstand der gekreuzten Dipole zueinander beträgt 0,7 Radar-Wellenlängen. Die daraus resultierende minimale Strahlbreite beträgt 6° und ergibt damit ein hinreichend kleines Beobachtungsvolumen.

Jeder Dipol wird durch eine eigene Sende-/Empfangseinheit mit einer Leistung von 2 kW (phasenkontrolliert für Sende- und Empfangsfall) gespeist. Dadurch wird sowohl eine hohe Flexibilität bei der Strahlformung und –ausrichtung erzielt als auch die Durchführung von Messungen mit beiden magnetoionischen Komponenten (o- und x-Mode) für differentielle Absorptions- und Phasenmessungen möglich. Außerdem kann der Antennenstrahl in die Richtungen NW, NO, SO, SW bei Zenitwinkeln von z.B. 6.8° und 13,6° geschwenkt werden. In der unteren Abbildung sind die vom Radarstrahl in 85 km Höhe beleuchteten Flächen für die vertikalen und schräge Radarstrahlen dargestellt. Außerdem können bei gleich bleibendem Schwenkwinkel Radarstrahlen mit unterschiedlicher Breite generiert werden. Für Anwendungen mit mehreren Empfängern sind vier unabhängige  Empfangskanäle und zwei zusätzliche gekreuzte Dipolantennen verfügbar.

Technische Parameter

Frequenz 3,17 MHz
Spitzenleistung 116 kW
Impulsbreite 7, 10, 13.3 µs
3dB-Strahlbreite 6.4°
Höhenbereich 50-94 km
Höhenauflösung 1-1.5 km
Abtastauflösung 1 km
Empfangskanäle 9 digital
Pulskodierung keine, 4 bit

Das Saura-MF-Radar arbeitet auf 3,17 MHz, wurde im Juli 2002 mit Spaced Antenna (SA) Messungen in Betrieb genommen and gestattet seit April 2003 auch Doppler Beam Swinging (DBS) Messungen. Weitere technische Details sind in der Tabelle zusammengestellt. Außer den Windmessungen können mit dem Saura-MF-Radar aus der spektralen Breite der rückgestreuten Echos auch turbulente Messgrößen abgeleitet werden, da durch den schmalen Radarstrahl der störende Einfluss des  Horizontalwindes auf die spektrale Breite relativ gut eliminiert werden kann. Auch aus der absolut kalibrierten Echoleistung können Informationen über die atmosphärische Turbulenz gewonnen werden. Durch den alternierenden Betrieb des Saura-MF-Radars mit unterschiedlichen Polarisationen (ordentliche und außerordentliche magnetoionische Komponenten) kann man aus differentiellen Absorptions- und Phasenmessungen die Elektronendichte im Höhenbereich zwischen etwa 65 und 85 km ableiten.

Messung

Das Juliusruh-MF-Radar

54.63°N, 13.37°O

Im Zeitraum zwischen 1990 und 2003 war in Juliusruh ein MF-Radar auf einer Frequenz von 3,18 MHz im Betrieb, das nach dem FMCW-Radarverfahren (Frequency Modulated Continuous Waves) gearbeitet hat. Dieses Radar wurde im Frühjahr 2003 durch ein Impuls-Radar auf derselben Frequenz ersetzt. Im Sommer 2005 wurde das Radar durch ein neues modulares Sende- und Empfangssystem mit verteilter Leistung und einer sogenannten Mills-Cross-Antenne erweitert. Seither arbeitet das Radar mit einer Impulsspitzenleistung von 64 kW. Weitere Parameter sind in der Tabelle zusammengefasst.

Technische Parameter
Frequenz 3,18 MHz
Spitzenleistung 64 kW
Impulsbreite 27 µs
3dB-Strahlbreite 18°
Höhenauflösung 4 km
Abtastauflösung 1 km
Empfänger 6 digital
Pulskodierung keine, 4 bit

Die neue Mills-Cross-Antenne (rote Kreuze) ist im beiliegenden Bild zusammen mit den weiterbestehenden bisherigen Antennen (blaue Kreuze) auf dem Gelände der Station Juliusruh skizziert. Wegen der begrenzten räumlichen Möglichkeiten ist die Mills-Cross-Antenne mit insgesamt 13 gekreuzten Halbwellendipolen kleiner als jene beim Saura-MF-Radar. Dabei ist jede Dipolantenne mit einer separaten Sende-/Empfangseinheit verbunden. Diese sind vom Zentrum nach außen in 3 dB Stufen leistungsmäßig gewichtet, um Nebenmaxima im Antennendiagramm zu reduzieren. Dabei wird ein 18° breiter Antennenstrahl erzeugt, der aus der Vertikalen in alle Himmelsrichtungen um definierte Zenitablagewinkel geschwenkt werden kann und damit DBS (Doppler-Beam-Swinging-Mode) Messungen gestattet.

Es sind aber auch interferometrische Beobachtungen möglich sowie die Anwendung unterschiedlicher Polarisationen für die Sende- bzw. Empfangssignale. Gerade die letztgenannte Möglichkeit gestattet die Bestimmung der Elektronendichte im Höhenbereich zwischen etwa 70 bis 85 km aus differentiellen Absorptions- und Phasenmessungen. Um die 1990 begonnene Messreihe der mesosphärischen Winde und Gezeiten optimal fortsetzen zu können, wird die große Mills-Cross-Antenne zum Senden und die fünf separaten Antennen zum Empfang verwendet. Aus einer Kreuzkorrelationsanalyse der einzelnen, an räumlich getrennten Orten empfangenen Signale wird dann das Windfeld in der Mesosphäre bestimmt. Beispiele sind im beiliegenden Bild gezeigt.

Messungen

Signal und SNR

Windgeschwindigkeit

Meteor Radar Netzwerke

Meteorradare sind zuverlässige und weit verbreitete Instrumente zur Untersuchung der Dynamik der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre (MLT). Die Technik basiert auf der Reflexion von elektromagnetischen Wellen an Meteorschweifen, welche sich mit dem Wind bewegen. Somit ermöglichen diese Radargeräte Beobachtungen von mesosphärischen Winden in einem Höhenbereich zwischen 80 und 100 km, bei einer angemessenen zeitlichen Auflösung (bis zu 1 Stunde). Ebenfalls kann die Temperatur der Mesopausenregion aus der ambipolaren Diffusion, d.h. wie schnell der Meteorschweif zerfällt, abgeschätzt werden. Die Systeme bestehen meist aus einer Sendeantenne und einem Empfangs-Array von 5 Antennen, um die Position der Meteorspur am Himmel durch Hilfe von Interferometrie zu bestimmen. Das IAP betreibt mehrere solcher Meteorradars in Andenes (Norwegen) und Juliusruh (Deutschland).Abbildung 1: Schematische Darstellung der Vorwärtsstreugeometrie. Aufgrund des Vorwärtsstreuwinkels, zwischen der einfallenden und reflektierten Radarwelle, ändert sich auch die Braggwellenlänge.Das in den letzten Jahren am IAP entwickelte Konzept MMARIA (Multistatic/Multifrequency Agile Radar for Investigations of the Atmosphere) (Stober and Chau, 2015) und dessen Weiterentwicklung SIMONe (Spread-spectrum Interferometric multistatic Meteor radar Observing Network) wurde in den vergangenen Jahren, durch die Inbetriebnahme von Meteorradar-Netzwerken in Deutschland, Norwegen und Südamerika, umgesetzt. MMARIA und SIMONe stellen eine Erweiterung traditioneller Meteorradarsysteme dar, indem entweder mehrere räumlich-getrennte Empfänger zu bestehenden Sendestationen oder mehrere räumlich-getrennte Sender (Chau et al., 2019) zu bestehenden, interferometrischen Empfangsstationen hinzugefügt werden. Das Prinzip der Vorwärtsstreuung erlaubt es dabei, fast das gleiche Gebietsvolumen aus verschiedenen Blickwinkeln zu beobachten (Chau et al., 2017). Ein weiterer Vorteil ist, dass eine erhöhte Anzahl von Meteoren pro Zeiteinheit, bei Verwendung des gleichen Senders, erfasst werden kann, was eine kostengünstige Ergänzung zu bestehenden Meteorradargeräten darstellt. 

Im MMARIA-Netzwerk Deutschland sind, neben den monostatischen Meteorradaren Juliusruh (IAP, 32,55 MHz) und Collm (Universität Leipzig, 36,2 MHz), auch weitere IAP-eigene Multifrequenz-Empfangsstationen in Neustrelitz, Bornim, Juliusruh und Kühlungsborn zusammengefasst. Insgesamt sind damit 9 multistatische Verbindungen (2 monostatische und 7 bistatische) realisiert, die sowohl lokale Windmessungen, als auch die Bestimmung horizontaler Windfelder im Bereich der Mesosphäre, ermöglichen.

Das MMARIA-Netzwerk Norwegen wird im Wesentlichen durch die Zusammenarbeit mit den Institutionen realisiert, die Meteorradare in Andenes, Tromsø, Alta und Kiruna betreiben. Zusätzlich betreibt das IAP, im ca. 200 km südlich von Andenes gelegenen Ort Straumen, ein Fünfkanal-Empfangssystem, welches die vorwärtsgestreuten Aussendungen des SMR von Andenes empfängt.

In Argentinien wurden 2018 in Ushuaia und Tolhuin (Tierra del Fuego) zwei Fünfkanal-Empfangsstationen aufgebaut, die in Zusammenarbeit mit SAAMER (Southern Argentina Agile Meteor Radar) in Rio Grande die erste Stufe des MMARIA-Netzwerks in Südamerika bilden. In einem nächsten Schritt wurde 2019, in der Provinz Santa Cruz, ein erstes SIMONe-System installiert. Der Fünfkanal-Sender in der Ortschaft Tres Lagos besteht aus dem am IAP entwickelten SanDRA-System, das in Kombination mit kommerzieller Verstärkertechnik kontinuierliche, kodierte CW-Signale aussendet. Die an den Meteorspuren reflektierten Signale werden derzeit an 5 Standorten in bis zu 200 km Entfernung registriert. Die dort eingesetzten Einkanal-Empfänger basieren ebenfalls auf SanDRA. Zur Positionsbestimmung der Reflektionspunkte werden die kodierten Informationen, der 5 Sender, an jedem Empfangsstandort kohärent kombiniert. Die weitere Bestimmung der Horizontalwinde kann einzeln für den Standort oder ebenfalls kombiniert für Windfelder erfolgen.

Ein zweites, gleichartiges SIMONe-System, bestehend aus einem Fünfkanal-Sender und 5 abgesetzten Einkanal-Empfangssystemen, wurde zeitgleich in Peru installiert.

Abbildung 2: Standorte der südamerikanischen Meteor-Radarnetzwerke in Argentinien (links) und Peru (rechts).

Das Andenes-Meteorradar

Messprinzip

Kurze elektromagnetische Impulse werden von einer Sendeantenne zirkumpolar ausgesendet und von Ionisationsspuren einfallender Meteoroide zurückreflektiert, wenn die Ionisationsspur senkrecht zum Radarstrahl liegt. Das Meteorecho wird mit einer aus 5 gekreuzten Yagiantennen bestehenden Empfangsantenne aufgenommen und interferometrisch ausgewertet, so dass für jede mit dem Neutralgaswind bewegte Ionisationsspur Zeit, Ort, Echoamplitude und radiale Geschwindigkeit bestimmt werden kann. Aus einer Vielzahl solcher individueller Informationen kann u. a. das Windfeld im Bereich zwischen etwa 80 – 110 km abgeleitet werden. Die Messungen mit dem Andenes-Meteorradar werden seit Oktober 2001 kontinuierlich durchgeführt.

Technische Parameter
Frequenz 32.55 MHz
Spitzenleistung 12 kW
Impulsbreite 13.3 µs
Höhensauflösung: 2 km
Sendeantenne 1 gekreuzte 3-Elemente Yagiantenne
Empfangsantenne 5 gekreuzte 2-Elemente Yagiantennen

Messungen

Das Juliusruh-Meteorradar

Kurze elektromagnetische Impulse werden von einer Sendeantenne zirkumpolar ausgesendet und von Ionisationsspuren einfallender Meteoroide zurückreflektiert, wenn die Ionisationsspur senkrecht zum Radarstrahl liegt. Das Meteorecho wird mit einer aus 5 gekreuzten Yagiantennen bestehenden Empfangsantenne aufgenommen und interferometrisch ausgewertet, so dass für jede mit dem Neutralgaswind bewegte Ionisationsspur Ort, Echoamplitude und radiale Geschwindigkeit bestimmt werden kann. Aus einer Vielzahl solcher individueller Informationen kann u. a. das Windfeld im Bereich zwischen etwa 80 – 110 km abgeleitet werden. Meteorbeobachtungen in Juliusruh wurden kontinuierlich zwischen November 1999 und August 2001 auf 32,55 MHz und werden ab Mai 2007 auf 32,55 MHz und 53,5 MHz durchgeführt.

Technische Parameter
Frequenz 32.55 MHz
Spitzenleistung 12 kW
Impulsbreite 13.3 µs
Höhensauflösung 2 km
Sendeantenne 1 gekreuzte 3-Elemente Yagiantenne
Empfangsantenne 5 gekreuzte 2-Elemente Yagiantenne

Messungen

IONENSONDE

Die Ionosonde Juliusruh

Die IAP-Außenstelle in Juliusruh ist für ihre über 60 Jahre andauernden Ionosonden-Messungen hoher Qualität weltweit bekannt und wissenschaftlich geschätzt. Sie liefert damit eine der längsten und wertvollsten Zeitreihen des IAP.

Seit der Modernisierung auf den Ionosondentyp Digisonde DPS-4D sind außer den regelmäßigen Standardionogrammen auch Driftmessungen in den E- und F-Schichten möglich. Neben dem Aufnahmebetrieb der regulären 5 -Minuten-Vertikal-Ionogramme zur Überwachung und Vorhersage des Ionosphärenzustandes ist die Ionosonde des IAP im Rahmen des europäischen TechTIDE-Projektes seit 2017 Empfangsstation für Schrägübertragungsstrecken zur Quasi-Echtzeit-Detektion wandernder ionosphärischer Störungen (Traveling Ionospheric Disturbances, TID). Dazu werden die Ionosondensignale der Digisonden in Dourbes (Belgien,  ca. 780km westlich) und in Prag (Tschechien, ca. 520km) beobachtet und ausgewertet.

Um die anfallenden Daten zeitnah prozessieren und verteilen zu können, wurde die Ionosonde im März 2019 einer größeren Wartung unterzogen und Hard- und Software-Komponenten erneuert.

Eine detaillierte technische Spezifikation sowie Beschreibung der Hard- und Software der Digisonde finden Sie unter dem Link zum Hersteller LDI.

Die Ionosonde Juliusruh ist Teil des internationalen Ionosonden-Netzwerkes GIRO (Global Ionospheric Radio Observatory) und des Europäischen Ionosonden-Netzwerkes DIAS (DIgital upper Atmosphere Server).

IAP-Außenstelle Juliusruh mit Blick auf den Antennenträger der Ionosonde.

Messprinzip – Vertikalsondierung

Im Frequenzbereich zwischen 1 und 30 MHz werden kurze elektromagnetische Impulse senkrecht in die Ionosphäre abgestrahlt und nach ihrer ionosphärischen Reflexion am selben Ort empfangen. Aus den ionosphärischen Echos werden Amplitude, Laufzeit (scheinbare Reflexionshöhe), Dopplerverschiebung, Polarisation und Einfallswinkel abgeleitet und in einem sog. Ionogramm in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt.

Beispiel eines Sommer-Ionogramms, das von der Ionosonde in Juliusruh am 12. Juni 2014 um 11:13 Uhr UT aufgenommen wurde. Es werden die Echokurven (farbig) und das abgeleitete Elektronendichteprofil (schwarze Kurve) gezeigt. Im linken Teil der Abbildung sind eine Reihe von Ionosphären-Standard-Parametern, die automatisch aus den Echo-Spuren ermittelt werden, und Elektronendichteprofil-Koeffizienten zusammengestellt. An der Unterseite des Ionogramms ist für Kurzwellen-Kommunikationszwecke eine Tabelle der maximal nutzbaren Frequenzen (MUF) in Abhängigkeit von der Übertragungsentfernung D abgebildet.

Beispiel eines Sommer-Ionogramms, das von der Ionosonde in Juliusruh am 12. Juni 2014 um 11:13 Uhr UT aufgenommen wurde. Es werden die Echokurven (farbig) und das abgeleitete Elektronendichteprofil (schwarze Kurve) gezeigt. Im linken Teil der Abbildung sind eine Reihe von Ionosphären-Standard-Parametern, die automatisch aus den Echo-Spuren ermittelt werden, und Elektronendichteprofil-Koeffizienten zusammengestellt. An der Unterseite des Ionogramms ist für Kurzwellen-Kommunikationszwecke eine Tabelle der maximal nutzbaren Frequenzen (MUF) in Abhängigkeit von der Übertragungsentfernung D abgebildet.

Messprinzip – Drift-Modus

Ionosonden-Driftmessungen basieren auf der Abschätzung der Doppler-Verschiebung des ionosphärischen Plasmas in einem Bereich von bis zu 400 km Durchmesser lokal über der Messstation. Seit kurzem werden die monostatischen Driftmessungen über Juliusruh mit den Möglichkeiten der Vorwärtsstreuung ergänzt. Diese erlauben den Empfang gesendeter Signale anderer Digisonden, die einige hundert Kilometer von Juliusruh entfernt sind (TechTIDE).

Jahreszeitliche Variation der Ionosonden-Zonaldrift im E-Schicht-Höhenbereich von ca. 95 bis 100 km (blau – Ostdrift, rot – Westdrift) über 9 Tage gleitend gemittelt.

Die Ionosonde Juliusruh ist Teil des internationalen Ionosonden-Netzwerkes GIRO (Global Ionospheric Radio Observatory) und des Europäischen Ionosonden-Netzwerkes DIAS (DIgital upper Atmosphere Server).

Technische Parameter

Frequenzbereich 1 bis 15 MHz (0.5 – 30 MHz)
Spitzenleistung max. 2x 150 W
Pulsbreite 533µs, (16x 33µs)
Sendeantenne 2 gekreuzte Rhombusantennen (70 m Mast)
Empfangsantenne 4 gekreuzte Rahmenantennen
Höhenauflösung 1 – 2,5 km

Messungen

Schema von Meteorbeobachtungen mit Radaranlage bestehend aus einer Sendeantenne (rot) und 5 Empfangsantennen (grün)

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