Das mobile Fe-Lidar

Lidarmessungen am Tage stellen eine besondere Herausforderung dar, weil das extrem schwache Signal aus der Mesosphäre fast vollständig von der solaren Strahlung überdeckt wird. Um überhaupt Messungen am Tage durchführen zu können, wurden in der Vergangenheit bereits spezielle spektrale Filter entwickelt, die sowohl beim Kaliumlidar (K-Lidar) als auch  bei ALOMAR zum Einsatz kommen. Spektrale Filterung ermöglicht bereits wertvolle Messungen am Tage (siehe dazu auch die Forschungsschwerpunkte "Temperaturstruktur 78° N" und "Temperaturstruktur 69° N"), die Qualität dieser Messungen bleibt jedoch wegen stark erhöhtem Untergrund weit hinter den Möglichkeiten von Nachtmessungen zurück. Trotz bereits sehr aufwändiger spektraler Filterung zeigen alle Messungen am Tage einen ca. 10000-fach höheren Untergrund im Vergleich zu nachts der durch spektrale Filterung alleine prinzipiell nicht unterdrückt werden kann.

Um bessere Messungen am Tage zu ermöglichen, wird am IAP zurzeit das mobile Eisen Dopplerlidar (Fe-Lidar) entwickelt. Neben spektraler Filterung mittels Doppeletalon wird der Untergrund zusätzlich durch ein extrem kleines Sichtfeld des Empfangsspiegels unterdrückt. Das extrem kleine Sichtfeld erfordert dabei einen beugungsbegrenzten und räumlich sehr stabilen Laser. Jeder Laserpuls wird durch eine schnelle und extrem genaue Stabilisierung des Lasers (0,0003 Grad) im Sichtfeld des Empfangsteleskops stabilisiert. Das kleine Sichtfeld erlaubt dabei erst den Aufbau extrem effizienter und nahezu verlustfreier spektraler Filter auf kleinstem Raum. Insgesamt erreicht das Fe-Lidar so einen ca. 100-fach kleineren Untergrund bei gleicher Signalstärke wie das stationäre K-Lidar, wobei ein vergleichbarer, effizienter spektraler Filter zum Einsatz kam.

Abbildung 1: Tageslichtmessung der Eisen- bzw. Kaliumschicht am Tage bei einem Sonnenstand von ca. 25° über dem Horizont.

Für die Bestimmung von Dopplertemperaturen ist zusätzlich eine sehr genaue Kenntnis der spektralen Eigenschaften des Instrumentes notwendig. Diese werden mittels eines neu entwickelten Verfahrens anhand des zurückgestreuten Rayleigh/Aerosol-Signals aus der Stratosphäre bestimmt. Dabei kann zusätzlich auch der Anteil der Aerosole und die Dopplerbreite (Temperatur) und Dopplerverschiebung (vertikale Bewegung/Wind) aus der Rayleigh-/Aerosolstreuung in dieser Höhe bestimmt werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Dopplertemperatur, Dopplerwind und Aerosolstreuung, berechnet aus der spektralen Abhängigkeit des zurückgestreuten Rayleigh/Aerosol-Signals aus der Stratosphäre.

Beim Fe-Lidar wird diese Technik sowohl bei der Eisen-Resonanzlinie bei 386 nm als auch bei der fundamentalen Wellenlänge des gepulsten Alexandritlasers bei 772 nm eingesetzt. Während die 386 nm für Temperaturmessungen in der Mesosphäre eingesetzt werden (Abbildung 3), dient die 772 nm Wellenlänge der Untersuchung von Eisteilchen in der Mesosphäre. Durch den Einsatz eines zusätzlichen konfokalen Etalons werden dabei untergrundfreie Messungen von Eisteilchen oder Aerosolen am Tage möglich. Gleichzeitig wird das für diese Messung störende Rayleighsignal aufgrund der 100-mal kleineren spektralen Breite des konfokalen Etalons stark unterdrückt, wodurch auch kleinere Eisteilchen beobachtbar werden. Die geringe spektrale Breite dieser Technik erlaubt zusätzlich extrem präzise Messungen der Dopplerverschiebung (Vertikalbewegung/Wind) von Aerosolen und Eisteilchen.

Abbildung 3: Durch Resonanzstreuung an Eisen (386 nm) gemessene Temperaturen in der Mesosphäre. Gegen Mittag befand sich die Sonne 35° über dem Horizont.

Abbildung 4 zeigt ein von den Aerosolen der Stratosphäre zurückgestreutes Spektrum. Aus der Dopplerverschiebung solcher Spektren wurde in Abbildung 5 die Vertikalbewegung der Aerosole berechnet. Die beobachtete spektrale Breite ist weitgehend instrumentenbedingt und ergibt sich aus vor allem aus den Eigenschaften des konfokalen Etalons und des Lasers. Zukünftig wird diese Messtechnik auf Eisteilchen in der Mesosphäre angewendet werden, wo Vertikalbewegungen von einigen m/s auftreten können.

Abbildung 4: Anhand stratosphärischer Aerosole gemessenes Spektrum. Aus der Dopplerverschiebung lässt sich die Vertikalbewegung der Aerosole bestimmen. Die spektrale Breite ist instrumentenbedingt.
Abbildung 5: Vertikalbewegung der Aerosole in der unteren Stratosphäre

Abbildung 6 zeigt den Tagesgang des störenden solaren Untergrundes für verschiedene Kanäle des Fe-Lidars im Vergleich zum stationären K-Lidar. Trotz aufwändiger Technik mit insgesamt 5 Etalons und 8 Nachweiskanälen konnte der  gesamte Nachweiszweig kompakt genug konstruiert werden, um ins mobile Fe-Lidar integriert zu werden (siehe Foto rechts). Das Design des Instrumentes erlaubt es zukünftig alle beschriebenen Messungen gleichzeitig durchzuführen.

Abbildung 6: Tagesgang des störenden solaren Untergrundes in Abhängigkeit vom Sonnenstand für das stationäre K-Lidar und für verschiedene Kanäle das Fe-Lidars.

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Alexandrit-Laser

Alexandrit-Ringlaser mit Seeder und Diagnosewerkzeugen

Nachweisbank

Nachweisbank des mobilen Fe-Lidars

Etalons

Etalons mit druckdichtem und temperaturstabilisiertem Edelstahlgehäuse

Strahlstabilisierung

Teleskop-Fokus mit Aussendespiegel (links oben) und Videokamera zur Strahlanalyse