Projekt:FE Beobachtung 1/Lidar/Anwendung

Teilprojekt Lidar

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Aerosole

Das Lidar kann in der Messtechnik breitgefächert angewendet werden. Es kann beispielsweise die ortsaufgelöste Dichtebestimmung von Teilchen oder Gasen in der Atmosphäre oder auch die ortsaufgelöste Geschwindigkeitsbestimmung, hier kann Wind als Beispiel gewählt werden, von Teilchen in der Atmosphäre oder in schnell strömenden Gasen vorgenommen werden. Für alle Anwendungen gilt, dass ein Lasersystem zur Erzeugung möglichst leistungsstarker, frequenzstabiler und schmalbandiger Strahlung benötigt wird.

Bei Aerosolen wird die Dichtebestimmung genutzt. Trifft der Laserstrahl des Lidar auf ein Aerosolteilchen, kann an der wieder aufgefangenen Wellenlänge, die von der Streuung ausgeht, erkannt werden, um welches Aerosol es sich handelt. Da das wieder aufgefangene Streulicht auch zeitlich detektiert wird, kann auch die Entfernung des Aerosolteilchens bestimmt werden. Dies geschieht über die Laufzeit vom Austritt des Laserliches, bis zum Wiedereintritt des schon reflektierten Lichtes. Es kommt das elastische Rückstreu-Lidar zum Einsatz. --Nadyna

Ozon

Die natürlichen Vorkommen von Ozon ${O_{3}}$ erstrecken sich auf die Stratosphäre. Hier ist die Konzentration von einigen ppm besonders hoch. In dieser Schicht ist Ozon aber unschädlich für den Menschen. Es hilft sogar dabei, einen Großteil des Ultravioletten Lichtes von der Sonne zu absorbieren. Bodennahe Vorkommen dagegen wirken schon in geringer Konzentration schädlich. Es ist wichtig beide Vorkommen des Ozon genauer zu bestimmen, um möglichen Gesundheitsrisiken, die durch zu viel Ozon in Bodennähe und zu wenig Ozon in der Stratosphäre zu erwarten sind, vorzubeugen oder die Auswirkungen gering zu halten. Ein Ozon- oder Aerosol-Lidar hat folgenden Aufbau:

• 2 leistungsstarke Laser liefern Pulse in drei Wellenlängenbereichen
• eine vertikale Aussendeoptik mit Strahlaufweitung zur Verringerung der Divergenz
• ein Spiegelteleskop fängt Rückstreusignal auf und fokussiert es in Detektor
• Detektor: Aufspaltung des Signals in verschiedene Wellenlängen, Bestimmung der Polarisation
• Die Datenaufnahme erfolgt über Vielkanalzähler

Die verwendete Wellenlänge liegt im ultravioletten bis infraroten Bereich, da der Laserstrahl sonst bei kleineren Wellenlängen von Sauerstoff und vom Ozon absorbiert wird oder bei größeren Wellenlängen vom Wassersampf absorbiert wird. Durch die Messung von Ozon über einen Zeitraum kann ein hoch aufgelöstes Vertikalprofil erstellt werden. So kann die Konzentration in den verschiedenen Schichten festgestellt werden. Hier findet das DIAL-Lidar Anwendung. --Nadyna

Höhenmodelle

Um Höhenmodelle mit dem Lidar zu erstellen, ist der Einsatz mit dem Flugzeug notwendig. Mit dem Lidar können sowohl Höhenmodelle mit Einbezug von Häusern und Vegetation erstellt werden, als auch Geländemodelle, in denen diese Komponenten herausgerechnet werden. Es entsteht durch die enge Rasterweite ein hochaufgelöstes Modell des überflogenen Gebiets. Die absoluten Höhenwerte des Gebiets können nachträglich berechnet werden. Meist wird dann das Gebiet mit einer Gitterstruktur überzogen, wobei jedes Rasterelement einen Höhenwert zugeordnet bekommt. Hierdurch nimmt das Höhenmodell eine bildhafte Gestalt an. Neben dem bloßen registrieren der Höhe eines Gebiets kann auch die Intensität festgestellt werden. So können Objekte, die die gleiche Höhe besitzen auch unterschieden werden. Der Intensitätswert ist dann abhängig von der Reflektivität des Objektes. Zur Anwendung kommen diese Höhenmodelle bei der Städteplanung und im Naturschutz. Hier können mögliche Veränderungen registriert werden und die eingreifende Planung somit beschleunigt. Auch beim Küstenschutz und Hochwasser kann das fertige Höhenmodell genutzt werden. Es kann an der Küste die genaue Trennung von Sand und Wasser vorgenommen werden. Veränderungen durch Abbrüche oder Anlandungen können beobachtet und Maßnahmen eingeleitet werden. Beim Hochwasser kann die überflutete Fläche bestimmt werden, was später helfen kann die genaue Durchflussmenge und auch den Hochwasserscheitel zu bestimmen. Dieser Aspekt ist hydrologisch sehr interessant. --Heidibärschneider

Windmessung

Als Wind wird die Bewegung von Luftteilchen bezeichnet. Sie wird im Allgemeinen durch unterschiedlichen Luftdruck zwischen zwei Luftmassen erzeugt. Um diese Bewegung der Luftteilchen zu messen, können verschiedene Messtechniken zum Einsatz kommen. Die konservative Methode, die heute auch noch oft verwendet wird, ist die Messung mit dem Schalensternanemometer. Die Windkraftindustrie verlangt jedoch nach einer besseren Methode, da bei wachsenden Bedarf an Windkraft auch die Windkraftanlagen größer werden. Die Messmasten für die Anemometer müssten immer höher werden und werden dadurch ökonomisch ineffizient. Die Lidar-Technik stellt hier eine gute Lösung bereit. Sie nutzt den Effekt, dass das an Luftpartikeln rückgestreute Laserlicht eine Doppler-Verschiebung in der Lichtfrequenz proportional zur Windgeschwindigkeit in Strahlrichtung erfährt. Die Höhe, in der die Windgeschwindigkeit gemessen wird, kann durch Fokusierung des Lasers bestimmt werden. Durch kegelförmige Rotation des Laserstrahls wird eine dreidimensionlae Bestimmung eines Windfeldes möglich. Der durch die Luftteilchen rückgestreute Laserstrahl wird mit einer bestimmten Frequenz abgetastet. Jede Abtastung wird fouriertransformiert, und schließlich werden 4.000 Fouriertransformationen zu einem Spektrum gemittelt, aus dem die Windgeschwindigkeit bestimmt wird. Dies entspricht einer Messdauer von 20 ms. In dieser kurzen Zeit kann die Atmosphäre innerhalb des Messvolumens als eingefroren gelten. Aufgrund dieser Tatsache kann ein sehr genaues Ergebnis erwartet werden. Es kommt das Doppler-Lidar zum Einsatz. --Heidibärschneider

Wasserdampf

Wasserdampf ist gasförmiges Wasser und ein farbloser Bestandteil der Luft. Da Wasserdampf mit einem Anteil von ungefähr 2/3 in der Luft vorhanden ist, gilt es als sehr wichtiges Treibhausgas und da noch nicht geklärt ist, inwieweit es die Wirkung von ${CO_{2}}$ auf den antropogenen Treibhauseffekt verstärkt, wird die Erforschung von Wasserdampfvorkommen notwendig. Bei der Lidar-Messung von Wasserdampf werden zwei kurze, intensive Laserimpulse in zwei verschiedenen Wellenlängen ausgesendet. Diese dürfen nicht zu langwellig sein, da sonst der Laserstrahl vom Wasserdampf komplett absorbiert wird. Das zurückgestreute Licht wird in zeitlicher Auflösung mit dem Lidar-Empfänger analysiert. Nun können Vertikalprofile mit den entsprechenden Wasserdampfkonzentrationen erstellt werden. Messungen außerhalb der feuchten Grenzschicht und oberhalb der sich im Herbst und Winter häufigen bildenden Hochnebeldecke sind von Vorteil. Zur Messung wird das Raman-Lidar verwendet. --Heidibärschneider

Wolken

Tritt die Kondensation, der beim Taupunkt stattfindende Prozess, des Wasserdampfes ein, entsteht wieder flüssiges Wasser. Geschieht das innerhalb einer bestimmten Höhe wird von Wolken gesprochen. Die Messung von Wolken erfolgt ähnlich der des Wasserdampfes. Auch hier wird ein Laserstrahl, der an der Wolkenunterseite zurückgestreut wird, durch einen Empfänger aufgenommen und detektiert. Da der Laser des Lidars aber die Wolke nicht komplett durchdringen kann, bleiben darüberliegende Wolkenvorkommen ungeklärt. Auch die Zusammensetzung von Spurengasen oder die Windgeschwindigkeit kann nicht über den Wolken bestimmt werden. Es kommt ein elastisches Rückstreu Lidar zum Einsatz. --Heidibärschneider

Temperatur

Die Temperatur ist verschieden in der Atmospähre verteilt. Während sie bis zur Tropopause bis unter 0°C absinkt, steigt sie in der Stratosphäre wieder auf die ungefähre Bodentemperatur an, um dann nach der Stratopause in der Mesosphäre wiederum stark in den Negativbereich abzusinken (ca. -100°C). Über der Tropopause, in der Thermosphäre, wird dann nur noch ein Temperaturanstieg verzeichnet. Der Temperaturverlauf wird bis zur Tropopause betrachtet, das heißt von 1 - 90 km. Bei der Messung werden die Eigenschaften von zwei Streuungsarten ausgenutzt: die Rayleigh-Streuung zum einen und die Rotations-Raman-Streuung zum anderen. Hier wird ein relatives Dichteprofil erhalten, das mit der Detektion der elastischen Streuung in Abwesenheit von Aerosolen entsteht. Die obere Grenze des Temperaturprofils ist durch die dort für die Rückstreuung zu geringe Luftdichte charakterisiert. Die untere Grenze ist durch die nach unten hin zunehmende Zahl an Aerosolen gegeben. Es wird über das ideale Gasgesetz der Temperaturverlauf zwischen dem 20. und 90. km berechnet. Die Temperaturen zwischen 1. und 20. km werden aus der Messung der spektralen Form des Rotations-Raman-Spektrums von Luftmolekülen bestimmt. Es ist auch möglich eine Temperaturmessung mit einer Kombination zweier Lidare durchzuführen. Der eine wäre ein Kalium-Resonanzlidar, der andere ein RMR Lidar. Der Vorteil einer Kombination besteht in einer am gleichen Ort zur gleichen Zeit bestimmten Absoluttemperatur des Kalium-Resonanzlidars in ca. 90 km Höhe. Diese liefert eine sehr genaue Starttemperatur für die Berechnung der Temperaturen aus der Rayleigh-Streuung darunter. --Nadyna