Das stationäre und transportable Kalium-Resonanzlidar

Das IAP betreibt zwei ähnliche Lidargeräte, die es ermöglichen, die atmosphärische Kaliumschicht zu untersuchen und daraus Temperaturprofile für den Höhenbereich von etwa 80 bis 110 km zu berechnen. Außerdem ist es mit diesen Lidars möglich Eisteilchen (NLC) zu beobachten. Während das stationär Kalium-Resonanzlidar am IAP in Kühlungsborn (54° N, 12° O) aufgebaut ist, wird das transportable Kalium-Resonanzlidar an verschiedenen Orten benutzt, um eine globale Klimatologie der Temperaturstruktur der Mesopausen-Region zu erstellen.

Methode

Mit dem Kalium-Resonanzlidar wird spektroskopisch die Dopplerbreite der Kalium-Resonanzlinie bei 770 nm ermittelt. Dazu wird der Sendelaser periodisch über den größten Teil der Linie (3,2 pm) durchgestimmt und die Rückstreuung aus der Mesopausenregion höhen- und wellenlängenabhängig registriert. Die effektive Kurvenform setzt sich als Überlagerung der einzelnen Doppler-verbreiterten Hyperfeinstrukturkomponenten zusammen. Aus der gemessenen Spektralform wird mit einem numerischen Verfahren die entsprechende Temperatur der Atmosphäre bestimmt.

Bei Lidarmessungen an den mesosphärischen Metallschichten werden nur sehr geringe Signalstärken erreicht, so dass empfindliche Detektoren zur Erfassung einzelner Photonen verwendet werden müssen. Der Untergrund der Messung wird im Wesentlichen durch in der Atmosphäre gestreutes Sonnenlicht verursacht. Während bei nächtlicher Dunkelheit die Verwendung von Interferenzfiltern ausreicht um ein gutes Signal/Untergrund-Verhältnis zu erzielen, sind am Tage schmalbandigere Filter aufgrund der mehrere millionenfach höheren Himmelshelligkeit notwendig. Seit 2000 können mit beiden Lidars auch Messungen am Tag durchgeführt werden.

Sendeeinheit

Lasermedium

2 Alexandritkristalle, Cr3+ : BeAl2O4

Geometrie

Ringresonator, unidirektional

Wellenlänge

770 nm, durchstimmbar

Modenstruktur

TEM00

Bandbreite

<<20 MHZ (FWHM)

Polarisation

linear

Repetitionsrate

35 Hz

Pulsenergie

150 mJ

Energieschwankungen

5% (1σ)

Pulslänge

250 ns (FWHM)

Strahldurchmesser

2,5 mm, nach AWT 6,7 mm

Strahldivergenz (voller Winkel)

0,45 mrad, nach AWT 0,3 mrad

Empfangseinheit

Teleskope

d = 80 cm, f = 199,5 cm

Gesichtsfeld

192 µrad

breitbandige Filterung

IF-Filter (1nm, Τ=70%)

schmalbandige Filterung

2 Kalium-FADOF (1800 G), 124° C, T = 75%

gesamte Transmission

50 %

Kontrast (FADOF)

1:10.000

Bandbreite (FWHM)

6,7 pm

Einfluss auf die Temperatur

±0,5 K

Detektor

APD

Photoneneffizienz

68% @ 770 nm

 Seitenanfang

Temperaturzeitreihe

Fünftägige Messreihe über Kühlungsborn im Februar 2003

Kalium-Resonanzlinie

Doppler-verbreiterte Kurvenform der Kalium-Resonanzlinie bei verschiedenen atmosphärischen Temperaturen.

Aufbau