CHARM-F
CHARM-F ist ein flugzeuggetragenes IPDA-Lidar (englisch: integrated path differential absorption) für den Betrieb an Bord des deutschen Forschungsflugzeugs HALO. Dieses einzigartige Lidarsystem ist in der Lage, gleichzeitig die Säulenkonzentration der beiden wichtigsten vom Menschen beeinflussten Treibhausgase, Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4), unterhalb des Flugzeugs zu vermessen.
CHARM-F wurde einerseits als wissenschaftliches Instrument als Beitrag für das Verständnis der Verteilung von Treibhausgasen auf lokalen und regionalen Skalen und ihrer Kreisläufe entwickelt, andererseits als flugzeuggetragener Demonstrator für die deutsch-französische Klimamission MERLIN. Insofern stellt es auch eine zentrale Komponente für die Validierung der MERLIN-Mission dar.
IPDA beruht auf der Lidar-Rückstreuung der Erdoberfläche und der Wolkenoberkanten zur Messung des Säulengehalts von CO2 und CH4 mit hoher Genauigkeit und geringem systematischen Fehler. Es werden zwei spektral schmalbandige Laserimpulse pro Spurengas mit leicht unterschiedlichen Wellenlängen emittiert. Die Online-Wellenlänge wird in die Nähe einer CO2- oder CH4- Absorptionslinie im nahen infraroten Spektralbereich abgestimmt. Eine zweite Messung mit vernachlässigbarer Absorption durch Bestandteile der Atmosphäre wird Offline genannt und dient als Referenz. Die On- und Offline-Wellenlängen sind spektral so eng benachbart, dass atmosphärische und Oberflächeneigenschaften mit Ausnahme der Treibhausgasabsorption als identisch betrachtet werden können. Der Säulengehalt ergibt sich aus dem Verhältnis der beiden Lidar-Rückstreusignale. Da die rückgestreuten Signale sehr schwach sind, müssen mehrere Einzelmessungen entlang des Flugwegs gemittelt werden, um die Anforderungen an die Messgenauigkeit zu erfüllen.
Das CHARM-F System auf HALO besteht aus einer optischen Einheit und zwei Standardgestellen. Die optische Einheit umfasst das Empfangssystem und zwei speziell entwickelte Lasersysteme (für beide Treibhausgase). Sie senden die On-/Offline-Impulspaare mit einer Impulslänge von wenigen Nanosekunden aus, um eine präzise Entfernungsauflösung und eine klare Trennung atmosphärischer Einflüsse vom Bodenecho zu erhalten und um damit eine eindeutig definierte Säulenmessung zu erzielen. Der enge zeitliche Abstand von 500 µs zwischen den On- und Offline-Pulsen sorgt dafür, dass nahezu derselbe Bereich am Boden ausgeleuchtet wird. Die Wellenlängen wurden im Rahmen von Sensitivitätsstudien sorgfältig ausgesucht, um temperatur- und druckabhängige Effekte zu minimieren und um Interferenzen mit anderen Bestandteilen der Atmosphäre, insbesondere Wasserdampf, zu vermeiden.
Die Laserstrahlung wird durch optisch-parametrische Oszillatoren (OPOs) erzeugt, die durch diodengepumpte Nd:YAG Laser angeregt werden. Ein extrem schmalbandiger („single mode“) Betrieb sowohl der Pumpe als auch des OPO wird mit Hilfe des „injection seeding“ Verfahrens erreicht. Die Wellenlänge der Seedlaser wird mit Hilfe einer mit CO2 und CH4 befüllten Zelle stabilisiert. Dies ermöglicht eine absolute Wellenlängenkalibration.
Nach einer erfolgreichen Testphase wurde CHARM-F wissenschaftlich erstmals während der CoMet 1.0 Mission im Jahre 2018 eingesetzt. Ziel dieser Feldmesskampagne war die Untersuchung von anthropogenen Treibhausgasemissionen in Europa, bei der nicht nur lokale Abgasfahnen von z.B. Kohlekraftwerken oder Ventilationsschächten von Kohlegruben erfolgreich detektiert wurden, sondern auch die regionale Verteilung der Treibhausgase in Ballungsgebieten wie dem oberschlesischen Kohlerevier in Polen und großskalige, subkontinentale Gradienten vermessen werden konnten.