Institute of Meteorology and Climate Research

MIPAS-STR: Measurement Basics

Mit MIPAS-STR werden Emissionsspektren gemessen, aus denen vertikale Konzentrationsprofile der meisten für die Ozonchemie relevanten Spurengase abgeleitet werden.

Was ist ein Emissionsspektrum?

Die Atmosphäre besteht aus einzelnen, gasförmigen Molekülen. Die Energie die diese Moleküle haben, kann nur gequantelte Niveaus (Rotations-Schwingungs-Zustände, siehe Abbildung) einnehmen. Die Verteilung aller Moleküle auf die möglichen Zustände, bzw. die Wahrscheinlichkeit für ein Molekül, einen bestimmten Zustand einzunehmen, wird durch die Bolzmann-Statistik beschrieben.

Energie ohne NullpunktsenergieDie Verteilung ist nicht statisch, sondern die Moleküle "hüpfen" (unter Beachtung quantenmechanischer Regeln) zwischen den Zuständen hin und her.

Die zum Übergang in einen energiereicheren Zustand notwendige Energie wird entweder bei einem Stoß einem anderen Molekül entnommen, oder wird in Form eines Photons absorbiert.

Die beim Übergang in einen energieärmeren Zustand freiwerdende Energie wird entweder bei einem Stoß abgegeben, oder als Photon emittiert. Diese emittierten Photonen werden von MIPAS registriert.

Die Anordnung der Energieniveaus und damit auch der möglichen Energiedifferenzen, die der Energie der emittierten Photonen entspricht, ist charakteristisch für die verschiedenen Moleküle. Im Spektrum der Photonenenergien (im folgenden Emissionsspektrum genannt) können daher die verschiedenen Moleküle anhand ihres spezifischen Emissionsspektrums identifiziert werden.

Die Höhe der Linien in einem Emissionsspektrum ist proportional zu der Anzahl an Molekülen, in denen der Übergang stattfindet. Diese Anzahl ist ein Produkt aus Wahrscheinlichkeit für den Übergang und der absoluten Konzentration an Molekülen. 

Der "Film" zeigt Spektren, die unter verschiedenen Blickwinkeln (s.u.) aufgenommen wurden. Die Messung stammt von einem Flug am 12.3.2003, gestartet in Kiruna (Schweden, 21E, 68N). Beachten Sie, dass unterschiedliche Linien verschieden wachsen. Dies liegt daran, dass verschiedene Moleküle eine unterschiedliche Variation der Konzentration über die Höhe aufweisen.

specmovie.gif

 

Wie misst MIPAS ein Spektrum?

Die eigentliche Messgröße sind Interferogramme, die Fouriertransformierten der Emissionsspektren.

Funktionsweise eines Michelson-InterferometersDie Strahlung der Atmosphäre wird durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Mit Hilfe von zwei Spiegeln werden die Teilstrahlen zum Strahlteiler zurückgeworfen und dort wieder zu einem Strahl vereinigt.

Der Trick besteht darin, dass ein Spiegel beweglich ist und so die beiden Teilstrahlen verschieden lange Wege zurücklegen. Abhängig von der Wellenlänge der Strahlung (l) entstehlt so für die verschiedenen Weglängenunterschiede (x) konstruktive oder destruktive Interferenz. Trägt man die resultierende Amplitude über dem Weglängenunterschied auf, erhält man ein Interferogramm.

Fouriertransformation (FT)Durch die mathematische Methode der Fouriertransformation entstehen aus den gemessenen Interferogrammen wieder Spektren.

Diese sind jedoch unkalibriert. Außerdem enthalten die Spektren nicht nur Strahlung aus der Atmosphäre, sondern auch thermische Strahlung aus dem Messgerät, den sogenannten Geräteuntergrund.

Kalibrieren der SpektrenBei der Kalibrierung werden den willkürlichen Einheiten der Spektren absolute spektrale Strahldichten zugeordnet, und der Geräteuntergrund wird abgezogen.

Aus dem Spektrum einer bekannten Strahlungsquelle, einem Hohlraumschwarzkörper, kann der Umrechnungsfaktor bestimmt werden.

Der Geräteuntergrund wird aus einem Spektrum bestimmt, bei dem nicht in die Atmosphäre, sondern nach oben in den Weltraum geblickt wird. Aus dem sehr kalten Weltraum (4 K) kommt quasi keine Strahlung, so dass dieses Spektrum fast nur aus der thermische Strahlung aus dem Messgerät besteht.

Messstrategie:

Horizontalsondierung unter verschiedenen BlickwinkelnMIPAS-STR wird an Bord eines hochfliegenden (Zobs ~ 20 km) Forschungsflugzeugs (M55-Geophysica) betrieben.

Die Emissionsspektren werden mit der Methode der Horizontsondierung (s. Abb) unter verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen.

Durch die Optik des Geräts ist der Winkelbereich, aus dem die gemessene Emission stammt, auf 0.44° begrenzt. Am Tangentenpunkt (Zmin), an dem die Sichtlinie den kleinsten Abstand zur Erdoberfläche hat, entspricht das 3 km. Dies gibt ungefähr die vertikale Auflösung der Profile vor.

Standard Beobachtungsmodus von MIPAS-STRFlugroute und horizontale Anordnung der Tangentenpunkte

Während des Messfluges wird die links dargestellte Abfolge von Blickwinkeln permanent durchlaufen. Eine Sequenz dauert ca. 190 s. Bei einer Fluggeschwindigkeit von 650 km/h ergibt sich eine horizontale Auflösung in Flugrichtung von ca. 35 km. Die rechte Grafik zeigt beispielhaft die horizontale Anordnung der Tangentenpunkte und die Flugroute. Durch die hohe horizontale Auflösung können horizontale Gradienten der Spurengaskonzentrationen nachgewiesen und Inhomogenitäten der durchflogenen Luft (z.B. Filamente oder die Wirbelgrenze) aufgelöst werden.

Wie werden aus den gemessenen Spektren Profile/Schnitte abgeleitet?

Jedes einzelne Spektrum beinhaltet die Information über die Verteilung der Spurengaskonzentration entlang der Sichtlinie, also in den Atmosphärenschichten über dem jeweiligen Tangentenpunkt. Zur Bestimmung der vertikalen Verteilung der Spurengaskonzentration (Vertikalprofil) wird eine Sequenz von Spektren benötigt, die bei verschiedenen Tangentenhöhen aufgenommen wurden (s.o.). Daneben wird ein Modell der Strahlungsübertragung in der Atmosphäre (KOPRA) benötigt, mit dem man, ausgehend von einem angenommenen Vertikalprofil pro Spurengas, das erwartete Spektrum berechnen kann. Die Spurengaskonzentration im Modell wird nun solange variiert, bis die gemessenen Spektren und die entsprechenden berechneten Spektren möglichst gut übereinstimmen. Dem so bestimmten Vertikalprofil wird die mittlere geografische Länge und Breite der Tangentenpunkte zugeordnet. Durch räumliche Aneinanderreihung der einzelnen Vertikalprofile ergibt sich ein zweidimensionaler Konzentrationsschnitt entlang des Flugweges.

Flight 12.03.03 O3