GRIPS



Bild 1: Airglow-Schicht, aufgenommen mit dem US-Satelliten Clementine (Falschfarbenbild, courtesy of U.S. Naval Research Laboratory).
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Bild 2: Das GRIPS 3 Instrument in der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS) auf der Zugspitze.
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Bild 3: Das GRIPS 6 Instrument im DLR-DFD in Oberpfaffenhofen.
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Bild 5: Typischer Temperatur- und Intensitätsverlauf in einer Messnacht. Aktuelle Messungen sind in naher Echtzeit über die NDMC-Webseite abrufbar.
Infrarotspektroskopie des atmosphärischen Luftleuchtens im nahen Infrarot mit GRIPS

Seit 2005 betreibt das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum die Infrarot-Spektrometer GRIPS (Ground-based Infrared P-branch Spectrometer) zur Vermessung des atmosphärischen Luftleuchtens (engl.: airglow) in der Mesopausenregion (80-100 km) (Bild 1). Hauptsächlich rührt es aus einer exothermen chemischen Reaktion her, bei der in 87±4 km Höhe Ozon (O3) mit atomarem Wasserstoff (H) reagiert und molekularen Sauerstoff (O2) sowie Hydroxyl-Moleküle (OH) produziert.

Die freigesetzte Energie wird dabei überwiegend auf das Hydroxyl-Molekül übertragen, das diese Energie nach kurzer Zeit in Form sichtbarer und infraroter Strahlung wieder abgibt. Dieser kurze Zeitraum reicht jedoch aus, dass die angeregten Moleküle mit der restlichen Atmosphäre lokal ins thermodynamische Gleichgewicht kommen. Aus den mit den GRIPS-Instrumenten registrierten Emissionsspektren kann somit auf die Umgebungstemperatur in 87 km Höhe geschlossen werden.

Bedeutung des Luftleuchtens

Die Atmosphäre weist in dieser Höhe in etwa dasselbe Mischungsverhältnis wie am Boden auf. Jedoch ist die Dichte gegenüber dem Erdboden um etwa fünf Größenordnungen geringer. Deswegen reagiert diese Region der Atmosphäre sehr viel empfindlicher auf Änderungen als andere Höhenschichten. Hinzu kommt, dass in diesem Höhenbereich der Prozess der Strahlungskühlung, d.h. die Abstrahlung von Wärme in den Weltraum besonders durch CO2 bei 15µm, sehr effektiv ist. Dementsprechend wird erwartet, dass sich der Klimawandel aufgrund des CO2-Anstiegs in der Atmosphäre in dieser Höhenregion besonders stark auswirkt. Dabei wird im Gegensatz zur Troposphäre jedoch mit einer Temperaturabnahme in den nächsten Jahrzehnten gerechnet. Die kontinuierliche Messung der Temperatur in der Mesopausenregion stellt somit einen wichtigen Aspekt der Erforschung des Klimawandels dar.

Aber auch auf kürzeren Zeitskalen ist die Temperatur in der Mesopausenregion von einer ausgeprägten Dynamik geprägt. Hier spielen vor allem atmosphärische Wellen eine bedeutende Rolle. Der Einfluss dieser Wellen reicht von Zeitskalen weniger Sekunden bis zu mehreren Wochen. Man unterscheidet im Wesentlichen folgende Wellentypen:

Infraschall: Wellen im Periodenbereich von weniger als fünf Minuten und einer räumlichen Ausdehnung von einigen hundert Metern bis wenigen Kilometern; maßgebliche Rückstellkraft ist die Druckgradientenkraft.

Schwerewellen: Wellen im Periodenbereich von mehr als fünf Minuten bis zu einigen Stunden bei einer räumlichen Ausdehnung von wenigen bis vielen hundert Kilometern; maßgebliche Rückstellkraft stellt hier die Schwerkraft dar.

Planetare Wellen: Wellen im Periodenbereich von wenigen Tagen bis mehreren Wochen bei einer räumlichen Ausdehnung von mehreren tausend Kilometern; maßgebliche Rückstellkraft ist die Corioliskraft.


Instrumentierung

Die Messungen werden mit verschiedenen Gitterspektrometern (GRIPS) im nahen infraroten Wellenlängenbereich durchgeführt. In den ersten Jahren kamen dabei die Geräte GRIPS 3 und GRIPS 4 zum Einsatz (Bild 2). Sie basieren auf einer Entwicklung der Universität Wuppertal aus den 1980er Jahren, die bis heute die ersten beiden Geräte dieser Bauart betreibt. Sie sind ausgestattet mit hochempfindlichen Germaniumphotodioden, die für ein optimales Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit flüssigem Stickstoff auf -196°C gekühlt werden. Durch ein bewegliches Beugungsgitter werden dann im Laufe von drei Minuten die OH-Emissionen im Wellenlängenbereich von 1,52µm bis 1,55µm abgescannt.

Im Jahr 2008 gelang mit dem GRIPS 5 am DFD eine vollständige Neuentwicklung (Bild 3). Die neueren Geräte sind seitdem mit thermoelektrisch gekühlten InGaAs-Photodiodenzeilen ausgestattet, die ein Abscannen der Wellenlänge überflüssig machen und so die Messgeschwindigkeit deutlich erhöhen. Ein Nebeneffekt dieser neuen Technologie ist die Erhöhung der Präzision. Heute existiert mit dem GRIPS 7, das bei der Vermessung des OH-Leuchtens eine zeitliche Auflösung von 10 Sekunden erreicht, weltweit eines der leistungsfähigsten Infrarotspektrometer in diesem Forschungszweig. Erstmals konnte damit der Periodenbereich des Infraschalls für die Airglow-Wissenschaft erschlossen werden.


Messstationen

Nach der Inbetriebnahme des ersten Instruments in der Umweltforschungsstation „Schneefernhaus“ (47,42°N, 10,98°O) auf der Zugspitze im Jahr 2005 (Bild 2), folgte im Januar 2009 der DLR-Standort Oberpfaffenhofen (48,08°N, 11,27°O) (Bild 3). Zudem wird seit November 2010 auch während der Wintersaison in ALOMAR (69,28°N, 16,01°O), Norwegen, nördlich des Polarkreises gemessen.

Zudem hat das als mobiles Instrument konzipierte GRIPS 4 im Jahr 2005 im Auftrag der ESA mit dem deutschen Forschungsschiff „Polarstern“ eine Messkampagne auf der Fahrt von Bremerhaven nach Kapstadt, Südafrika absolviert (siehe Link).

Jede GRIPS-Messstation ist Teil des internationalen globalen Netzwerkes NDMC (Network for the Detection of Mesopause Change), ein globales Programm zur Förderung der internationalen Zusammenarbeit zwischen Forschungsgruppen, die den Bereich der Mesopause (80-100 km) beobachten, um möglichst frühzeitig die Signale des sich ändernden Klimas zu erfassen. NDMC besteht gegenwärtig aus 50 bodengebundenen Messstationen weltweit, die die Airglow-Schicht beobachten (siehe Bild 4 oder Link NDMC). NDMC ist 2007 auf Initiative des DLR-DFD gegründet worden und wird seitdem von DLR-DFD in Zusammenarbeit mit der argentinischen Organisation CONICET koordiniert; Koordinationszentrum ist die Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS). NDMC entwickelt sich kontinuierlich weiter. Es werden in den nächsten Jahren neue NDMC-Messstationen aufgebaut, insbesondere in Europa und Afrika, um eine möglichst ausgewogene geographische Verteilung der Messstationen über den Globus zu erhalten. Darüber hinaus ist die Erweiterung von NDMC um weitere Messtechniken (z.B. Lidar, Radar und Satelliten) und die Ergänzung durch Modellierungsstudien geplant und teilweise bereits umgesetzt. Das bedeutet gleichzeitig eine Ausweitung des Netzwerks auf die gesamte Mesosphäre. Die Datenarchivierung und das Datenmanagement des NDMC werden vom ICSU/WMO Weltdatenzentrum für satellitenbasierte Fernerkundung der Atmosphäre (WDC-RSAT), übernommen, das auch als Kommunikationsplattform für das NDMC dient. Einige der in NDMC erhobenen Messungen, z.B. die der GRIPS-Instrumente, sind in naher Echtzeit über die NDMC-Webseite abrufbar (siehe Bild 5 bzw. Link NDMC).

 NDMC-Messstationen
zum Bild NDMC-Messstationen
Bild 4: Geographische Verteilung der derzeit 50 NDMC-Messstationen weltweit (Stand: Dezember 2010).

Kontakt
Dr. Sabine Wüst
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum
, Atmosphäre
Tel: +49 8153 28-1325

Fax: +49 8153 28-1363

E-Mail: Sabine.Wuest@dlr.de
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Virtuelles Alpenobservatorium: Einzigartiges Netzwerk für Klimaforschung (http://www.dlr.de/eoc/desktopdefault.aspx/tabid-5258/15811_read-39545/usetemplate-print/)