Messtechniken in der Stratosphäre

Wenn wir unser Wissen um Gaskonzentrationen in der Stratosphäre präsentieren, mag die Frage auftauchen: Woher wissen wir das? Die Stratosphäre beginnt erst in 8-15 km Höhe. Die wirklich interessanten Regionen beginnen in Höhen, die nomale Flugzeuge nicht mehr erreichen.

Es gibt zwei Möglichkeiten, Substanzen und Konzentrationen in der Stratosphäre zu untersuchen.

1) Messinstrumente werden durch spezielle Flugzeuge oder Ballons in die entsprechende Höhe gebracht.

2) Die Wechselwirkung von Molekülen mit Licht wird entweder vom Erdboden aus oder aus dem Weltraum (Satelliten) untersucht.

Flugzeuge

Spektakuläre Messungen sind mit speziellen Flugzeugen möglich, wie z.B. dem umgebauten russischen Spionageflugzeug, das mittlerweile auf den Namen „Geophysica" getauft wurde. Das für extreme Höhen gebaute Flugzeug fungiert heute als fliegendes Labor und erreicht Höhen um die 20 km. Doch solche Flüge sind sehr teuer.

Forschungsflugzeug für Stratosphärenhöhe

1. Geophysica - Forschungsflugzeug für Stratosphärenhöhe
Quelle: MDB Design Bureau

In Deutschland wird ab dem Jahr 2009 ein neues Höhenforschungsflugzeug für die Erforschung der oberen Luftschichten verfügbar sein. Es wird den Namen "Halo" tragen (High Altitude and LOng Range Research Aircraft) und sowohl für Höhen im Bereich von 15 km als auch für Flugstrecken zwischen den Kontinenten (Reichweite > 10.000 km) geeignet sein. Halo ist ein Projekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, der Helmholtz-Gesellschaft und der Max-Planck-Gesellschaft. Weitere Informationen unter: www.halo.dlr.de

Halo Forschungsflugzeug

Ballons

Eine weiter verbreitete Alternative sind Messungen mit Ballons. Wetterballons erreichen Höhen von 30-35 km, bevor sie zerplatzen. Sie können z.B. einen kleinen Ozonsensor mit sich tragen, der ein Funksignal zur Erde sendet, welches die Ergebnisse von gut bekannten chemischen Reaktionen zur Ozonbestimmung übermittelt. Wenngleich Ozon heute auch von Satelliten gemessen wird, ist die Ozonsonde für die Messung eines Höhenprofils immer noch das Mittel der Wahl.

Start einer Ozonsonde

2. a) Start einer Ozonsonde am Observatorium Hohenpeissenberg.
Die beiden Bilder wurden freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Ulf Köhler am Observatorium des Deutschen Wetterdienstes auf dem Hohenpeissenberg.

Inneres einer Sonde

2. b) Das Innere einer Sonde, die für die Ozonmessung an einen Wetterballon gehängt wird.
Die Ergebnisse werden während des Aufstieges übermittelt. Nach dem Zerplatzen des Ballons wird der Sturzflug der Sonde von einem Fallschirm (rotes Tuch im Bild links) abgefangen.

Wechselwirkung mit Licht

Was da geschieht, ist sehr schwierig zu verstehen und noch als Student zerbricht man sich in einer Vorlesung über Quantenphysik den Kopf. Jedoch merken müssen wir uns: Wenn Licht und Materie (auch Luftmoleküle) zusammenstoßen, geschieht etwas, was das Licht zurückwirft, aufnimmt oder aufnimmt und verändert weitergibt. Da diese Prozesse für jedes Licht und jeden Stoff verschieden sind, können wir mit dem Wissen hierüber die Atmosphäre erforschen.

Wir beobachten: Das direkte Sonnenlicht wird blockiert, wenn Wolken sich vor die Sonne schieben, obwohl sie nur aus Wassertröpfchen oder Eiskristallen bestehen. Wenn wir tief ins Meer tauchen, wird es dunkler und dunkler, weil Licht ‚geschluckt' wird. Ein Sandsturm in der Sahara lässt die Sonne verblassen. Nicht nur größere Partikel und Wassertröpfchen absorbieren Licht, auch die Luftmoleküle. Sie werfen es zur Erde zurück oder verändern die Wellenlänge des Lichtes. So etwas kennen wir von fluoreszierendem oder phosphoreszierendem Spielzeug. Die kleinen Plastikgespenster nehmen Tageslicht oder Lampenlicht in einer hellen Umgebung auf und geben Licht anderer Wellenlänge in der Dunkelheit ab. Das Anderssein dieses Licht erzählt uns etwas über den Stoff, der es abgibt. Seine Intensität erzählt uns etwas über die Konzentration.

Phosphoreszens

3. Phosphoreszens beobachten wir, wenn Licht aufgenommen wird und auf einer anderen Wellenlänge wieder abgegeben wird.
Quelle: Webreklame

Die Wechselwirkung von Licht mit Molekülen in der Stratosphäre kann ebenso vom Erdboden aus wie von Satelliten aus dem Weltall beobachtet werden.

Lidar

LIDAR (LIght Detection And Ranging) ist eine Technik, die von der Erde aus angewandt werden kann. Ein kurzer Laserpuls sehr intensiven Lichtes wird in den Himmel geschickt. Nach einer Weile kommt das zurückgestreute oder verändert emittierte Licht zurück und wird gemessen.

LIDAR

4. LIDAR Messungen
Bildquelle: University of Western Ontario

Wir erhalten Informationen darüber, auf welche Substanzen es getroffen ist (Wellenlänge des zurückkommenden Lichtes) und in welcher Konzentration diese Substanzen vorliegen (Intensität des zurückkommenden Lichtes).
Aber aus welcher Höhe kommt das Licht zurück? Aus 10 km? oder 30 km? Licht hat eine bestimmte Geschwindigkeit. Je länger das Licht braucht, um nach dem Laserpuls wieder unten anzukommen, desto höher sind die Moleküle, die es zurückgeschickt haben.

Die Animation links zeigt die Lichtteilchen eines Laserpulses, die in verschiedenen Höhen von Molekülen in der Luft zurückgeworfen werden und nach verschiedenen Flugzeiten wieder auf dem Detektor auftreffen. Das Bild ist stark vereinfacht. Sowohl die Moleküle könnten verschieden sein als auch die zurückgeworfenen Lichtteilchen.

5. Wie funktioniert ein LIDAR?
Lichtteilchen eines Laserpulses (hellblau) werden von Molekülen in der Luft (grün) zurückgeworfen.
Autor: Anja Kaiser © ESPERE

Radar und Sodar

Verschiedene Varianten der LIDAR Messung werden angewandt, z.B. auch mit Infrarotlicht. Bekannter ist RADAR (RAdio Detection And Ranging). Hiermit lassen sich Partikel in der Luft analysieren und auch die Eigenschaften von Wolken. Mit Radarmessungen kann man z.B. Gewitterzellen über mehrere 100 km verfolgen. Wird Schall (sound) anstelle von Licht verwendet (SODAR = SOund Detection And Ranging), so haben wir ein leistungsfähiges Hilfsmittel zur Messung von Windgeschwindigkeiten.

SODAR - Messung der Windgeschwindigkeit

6. SODAR - Messung der Windgeschwindigkeit
Bildquelle: Meteotest

Satelliten

Satelliten beobachten unseren Planeten aus dem Weltall. Manche von ihnen schweben an einem festen Punkt über der Erde, andere ziehen ihre Bahnen in 500 - 1000 km Höhe und umrunden die Erde in 1,5 bis 2 Stunden. Auf einigen Satelliten sind Spektrometer eingebaut, die das Licht messen, das unsere Atmosphäre durchlaufen hat und mit Luftmolekülen Wechselwirkungen eingegangen ist. Verschiedene Arten von Messungen zur Erforschung der Atmosphäre sind möglich.

Die Instrumente auf den Satelliten können Sonnenlicht messen, das von Wolken oder Luftmolekülen zurückgeworfen wird (1). Infrarotspektrometer können auch direkt die langwellige Strahlung messen, die von der Erdoberfläche ausgesandt wird (2). In bestimmter Position des Satelliten zur Sonne passieren die Sonnenstrahlen die Erde tangential und gehen direkt durch die Atmosphäre zum Detektor auf dem Satelliten (3). In Abhängigkeit vom Einfallswinkel durchläuft das Licht verschiedene Teile der Atmosphäre und höhenabhängige Informationen können gewonnen werden.

Techniken der Satellitenmessung

7. Verschiedene Techniken der Satellitenmessung
Schema: Elmar Uherek

About this page:
Author: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz
Scientific reviewer: Dr. John Crowley, Max Planck Institute for Chemistry, Mainz - 2004-05-04
Educational proofreading: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
Letzte Überarbeitung: 2008-10-08

Last modified: Wednesday, 19 February 2020, 8:58 PM