Praxistest für VAHCOLI

Veröffentlichung über neuartiges Lidar-System als highlight herausgestellt

Kühlungsborn, 26.05.2021

Die Entwicklung einer neuen Generation von Lidars, genannt VAHCOLI (Vertical And Horizontal Coverage by Lidar), ist soweit fortgeschritten, dass erste Messungen durchgeführt werden konnten. In einem soeben erschienenen Artikel in Atmospheric Measurement Techniques wurden diese Messungen vorgestellt, zusammen mit einer Darstellung des technischen Konzepts und der wissenschaftlichen Anwendungsmöglichkeiten von VAHCOLI. Diese Veröffentlichung wurde von den Herausgebern der Fachzeitschrift als „highlight“ herausgestellt. Parallel dazu wurde der speziell dafür entwickelte neuartige Alexandrite-Ringlaser in Applied Optics beschrieben und gezeigt, dass der Laser Eigenschaften besitzt, die zukünftig völlig neuartige Möglichkeiten für Atmosphärenmessungen eröffnen.

Für VAHCOLI wurden über mehrere Jahre hinweg eine Reihe Technologien entwickelt, die erstmals den Bau kompakter Systeme erlauben während vergleichbare Systeme üblicherweise ganze Gebäude füllen. Durch 3D-Druck des Gehäuses und des optischen System konnte erstmals ein solche System auf ca. 1x1x1 m verkleinert werden. Mit der Entwicklung spezieller, zusätzlicher Teleskope können zukünftig Systeme gebaut werden, die nicht nur vertikale sondern auch horizontale Strukturen vermessen können. Das Innovative der Methode liegt darin begründet, dass die spektralen Eigenschaften des Lasers, des Nachweissystems und des rückgestreuten Signals mit großer Präzision und Zeitauflösung mittels eines neuartigen Verfahrens vermessen werden. Daraus werden Winde und Temperaturen bis zu einer Höhe von 100 km abgeleitet.

Technische Zeichnung einer VAHCOLI-Einheit. Einige Bauelemente wie Teleskop, Laserquelle und PC sind zu erkennen. Temperaturkontrolle und –Stabilisierung sind mit Luft- und Wasserkühlung realisiert. Die Abmessungen einer VAHCOLI-Einheit sind 96 cm x 96 cm x 110 cm, ihr Gewicht beträgt 400 kg und ihr Energieverbrauch unter Volllast ist 500 W. Das System wird zurzeit um weitere Teleskope ergänzt.

Durch die Kombination von mehreren VAHCOLI-Einheiten wird ein großer Bereich von vertikalen und horizontalen Skalen abgedeckt. Mit dieser Information kann nicht nur der mittlere Zustand erfasst werden, sondern auch Wellenstrukturen. Aus den gemessenen Temperaturen und Winden lassen sich ihre Eigenschaften bestimmen.

Horizontale Abdeckung mit vier Stationen und je fünf Strahlen (bunt gezeichnet). Die schwarzen horizontalen Linien markieren die 190 Verbindungen zwischen den Stützstellen in 60 km Höhe, wodurch ein Gebiet von 100 x 140 km mit eine Auflösung von 20 km abgedeckt wird.

Als ersten Test wurden im Januar 2020 ein einem 6-wöchigen Dauereinsatz Messungen durchgeführt, währenddessen das System ohne Nachjustieren durchlief und brauchbare Ergebnisse aus 5 – 100 km Höhe lieferte. Damit wurde die Fähigkeit von VAHCOLI erstmals demonstriert, wesentliche Beiträge zur Aufklärung der Dynamik der mittleren Atmosphäre zu liefern.

VAHCOLI-Messungen vom 19. Januar 2020 im Vergleich mit Daten aus dem operativen Vorhersagemodell des ECMWF. Die Doppler-verschobenen Spektren aus dem miniaturisierten System ergaben Winde, die denen aus ECMWF sehr gut entsprechen. Sie zeigen außerdem Wellenstrukturen, die in die weitere Auswertung eingehen.

VAHCOLI ist ein Projekt, das am IAP seit einigen Jahren realisiert wird und maßgeblich durch einen Sondertatbestand der WGL unterstützt wurde. Eine wichtige Etappe war die Einweihung des Laborgebäudes 2019. Momentan arbeitet Projektleiter Dr. Josef Höffner mit einer Technikerin und zwei Doktoranden an dem Projekt. Die Originalveröffentlichung AMT ist unter https://doi.org/10.5194/amt-14-3815-2021 zu finden, die Beschreibung des Lasers in AO unter https://doi.org/10.1364/AO.422634.

Das Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) ist eines der deutschen Zentren für die Erforschung der mittleren Atmosphäre und in weltweite Kooperationen eingebunden. Es hat seinen Hauptsitz im Ostseebad Kühlungsborn, eine Außenstelle in Juliusruh und beteiligt sich maßgeblich an einem Observatorium in Nordnorwegen (ALOMAR). Als An-Institut der Universität Rostock ist das IAP fester Bestandteil des Lehrprogramms in Physik. Am IAP sind ca. 90 Mitarbeiter/innen beschäftigt. Es betreibt eine gleichstellungs- und familienorientierte Personalpolitik und ist durch das Audit "berufundfamilie" zertifiziert.

Kontakt: Direktor Prof. Franz-Josef Lübken luebken@iap-kborn.de