Forscher vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre haben ein Laser-basiertes System für neuartige, hochaufgelöste Messungen wichtiger Treibhausgase entwickelt, welches neben dem Einsatz auf Forschungsflugzeugen prinzipiell auch für Satellitenmissionen geeignet ist.
Das flugzeuggetragene Lidarinstrument ermöglichte die ersten gleichzeitigen, höhenaufgelösten Messungen von Wasserdampf und Ozon im Tropopausenbereich. Ein jetzt dazu erschienener Fachbeitrag bekam eine besondere Empfehlung vom Herausgeber der Zeitschrift Applied Optics.
“Die Möglichkeit die vertikale Verteilung von Wasserdampf und Ozon zu beobachten, ist entscheidend für das Verständnis von Austauschprozessen zwischen Troposphäre und Stratosphäre”, sagt Andreas Fix, der Leiter der Forschergruppe. Diese Messungen können uns helfen, Fehler und Unsicherheiten in Klimamodellen zu identifizieren. Das wiederum hilft bei der Verbesserung von Vorhersagen des zukünftigen Klimas, was eine der zentralen Herausforderungen für Gesellschaft und Wirtschaft ist.”
Konzentrationen atmosphärischer Spurengase können mit in-situ Instrumenten an Bord von Flugzeugen oder auf Messballonen vermessen werden, die dann eindimensionale Daten entlang des Flugpfades liefern. Informationen über die vertikale Verteilung werden nur während Auf- und Abstieg erfasst. Weiterhin werden Fernerkundungsdaten von Satelliten verwendet, die zwar eine hohe räumliche Abdeckung, aber häufig eine vergleichsweise schlechte vertikale Auflösung besitzen.
Das von den DLR-Forschern entwickelte Lidarsystem adressiert das Problem geringer vertikaler Auflösung, da es vertikale Wasserdampf- und Ozonprofile unterhalb des Flugzeugs messen kann. Die Messmethode beruht auf dem differentiellen Absorptions-Lidar (DIAL), wobei jeweils zwei leicht unterschiedliche Wellenlängen im UV (für Ozon) und zwei im nahen Infraroten (für Wasserdampf) für die Messung der beiden Gase genutzt werden. Die Strahlung der einen Wellenlänge wird von den Gasmolekülen weitgehend absorbiert, während die andere den Empfänger ohne Abschwächung durch das zu messende Gas erreicht. Aus dem gemessenen Verhältnis der aus der Atmosphäre zurückkommenden Signale werden die Spurengasprofile errechnet. Entscheidend für den Einsatz des Systems auf Flugzeugen ist u.a. ein von der Arbeitsgruppe entwickelter, hocheffizienter optisch parametrischer Oszillator (OPO). Dieser wandelt Laserlicht in genau die für die Ozon-Messungen benötigten ultravioletten Wellenlängen um.
Im Jahr 2017 flog das System auf mehreren Langstrecken-Forschungsflügen über dem Nordatlantik und Nordeuropa im Rahmen der WISE-Kampagne (Wave-driven ISentropic Exchange). Das Instrument arbeitete dabei zuverlässig und stabil. Es konnten Ozon und Wasserdampfprofile an der Tropopause unter verschiedenen meteorologischen Bedingungen beobachtet werden, die die Verteilungen maßgeblich beeinflussen. Die Daten werden nun detailliert analysiert und sollen in Klimamodelle einfließen. Die Forscher freuen sich auf zukünftige Einsätze des Instruments mit weiteren, spannenden Daten.
Am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre wurde ein neues Lidar-System entwickelt, womit eingesetzt auf dem deutschen Forschungsflugzeug HALO erstmals die Vertikalverteilung von gleichzeitig Ozon und Wasserdampf an der Tropopause vermessen wurde. (Foto: DLR, CC-BY 3.0)