Das RMR-Lidar am IAP Kühlungsborn

Aufgaben des RMR-Lidars

Das Rayleigh-Mie-Raman (RMR) Lidar des IAP ist ein Mehrwellenlängenlidar, das überwiegend zur Messung von Temperaturen und Aerosolparametern in der Atmosphäre benutzt wird. Das System ist seit Juni 1997 im Einsatz und wurde seitdem mehrfach umgebaut und erweitert, so dass zurzeit folgende Messungen möglich sind:

Temperaturmessungen

Temperatur-Profile werden von 1 - 90 km beobachtet. Dabei wird zum einen die Rayleigh-Streuung und zum anderen Rotations-Raman-Streuung ausgenutzt. Bei erstem gilt, dass man mit der Detektion der elastischen (Rayleigh-) Streuung in Abwesenheit von Aerosolen ein relatives Dichteprofil erhält. Aus diesem lässt sich über das ideale Gasgesetz unter Annahme des hydrostatischen Gleichgewichts ein Temperaturprofil zwischen 20 und 90 km berechnen. (Eine detaillierte Beschreibung findet sich auf den Seiten des ALOMAR-RMR-Lidars.) Die obere Grenze ist durch die dort für die Rückstreuung zu geringe Luftdichte und die untere durch die nach unten hin zunehmende Zahl an Aerosolen gegeben. Unterhalb von 34 km wird unter Nutzung inelastischer Raman-Steuung Aerosoleffekte korrigiert. Die Temperaturen zwischen 1 und 20 km werden aus der Messung der spektralen Form des Rotations-Raman-Spektrums von Luftmolekülen bestimmt. Aus dem Verhältnis der Signale bei 529,1 und 530,4 nm kann die Temperatur auch bei Anwesenheit von Aerosol berechnet werden. Zusammen mit den Messungen des K-Lidars ergibt sich bei Nacht eine zurzeit weltweit einzigartige Höhenabdeckung von 1-105 km (siehe Abbildung unten). Der große Vorteil in der Kombination beider Lidars besteht darin, dass durch eine am gleichen Ort zur gleichen Zeit bestimmte Absoluttemperatur des K-Lidars in ca. 90 km Höhe eine sehr genaue Starttemperatur für die Berechnung der Temperaturen aus der Rayleigh-Streuung darunter liefert.

Temperaturprofil zwischen 1 und 105 km am 5. Oktober 2005 im Mittel über eine Stunde

Aerosolmessungen

Im Sommer wird gelegentlich neben der Rayleigh-Rückstreuung im Höhenbereich um 83 km Aerosol-Rückstreuung von Eisteilchen Leuchtender Nachtwolken (NLC) beobachtet. Die empfindlichste Wellenlänge für NLC-Beobachtungen ist die 2. Harmonische bei 532 nm. Messungen bei 532 nm alleine ermöglichen Aussagen zur Existenz von Eisteilchen, zusammen mit Temperaturmessungen auch zur möglichen Entstehung von NLC. Wird die NLC darüber hinaus auch bei den anderen beiden Wellenlängen des RMR-Lidars sowie mit dem K-Lidar und dem Metall-Lidar detektiert, können aus dem Vergleich der Rückstreuung bei sechs verschiedenen Wellenlängen Aussagen über Aerosolparameter (Größe, Zahl, Verteilung der Teilchen) gemacht werden.

Zusätzlich können in der Troposphäre Temperaturen, Aerosolparameter und Wasserdampfkonzentrationen durch die Kombination von Rayleigh-Streuung, N2- und H2O-Vibrations-Raman-Streuung sowie Rotations-Raman-Streuung gemessen werden.

Der Sendezweig

Das Lidar-System ist mit einem Nd:YAG-Laser ausgestattet, der auf der Grundfrequenz (1064 nm) sowie auf den ersten beiden Harmonischen dieser Frequenz (532 nm und 355 nm) ausstrahlt. Die technischen Daten sind in der Tabelle zusammengefasst.

Lasertyp

"seeded" Nd:YAG

Wellenlängen

355, 532, 1064 nm

Pulsenergien

200, 400, 500 mJ

Wiederholrate

30 Hz

Pulslänge

10, 13, 18 ns

Der Empfangszweig

Das von den Bestandteilen der Atmosphäre (Moleküle u. Partikel) zurückgestreute Licht wird mit Teleskopspiegeln gesammelt, auf Glasfasern fokussiert und in den Nachweiszweig (siehe Schemazeichnung) geleitet. Für das RMR-Lidar werden dabei je nach Messaufgabe bis zu 8 Teleskopspiegel von je 50 cm Durchmesser kombiniert. Der RMR-Laserstrahl wird koaxial über der Mitte des 5er-Spiegelsystems in die Atmosphäre gestrahlt, um den Bereich des vollständigen Überlapps zwischen Laserstrahl und Teleskop-Gesichtsfeld so weit wie möglich nach unten auszudehnen.

Teleskop-Typ

8 parabolische Spiegel

Brennweite

120 cm

Durchmesser

je 50 cm

Glasfaserdurchmesser

1,0 mm & 0,6 mm

Num. Apertur

0,22

Sichtfeld

0,83 mrad & 0,5 mrad

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Betrieb des RMR-Lidars

Das Institutsgebäude mit dem grünen Laserstrahl des RMR-Lidars (Foto: G. Baumgarten)

Teleskophalle

Blick in die Teleskophalle mit den Strahlen des RMR-Lidars und des Metall-Lidars (Foto: G. Baumgarten)

Nachweiszweig

Aufbau des Nachweiszweigs des RMR-Lidars (letzter Umbau: Januar 2006)