MISI: das Mikrowellenspektrometer zu Messung von Wasserdampfprofilen über Kühlungsborn
Die Konzentration von Wasserdampf in der mittleren Atmosphäre hat für die am IAP verfolgten wissenschaftlichen Ziele eine große Bedeutung. Dies betrifft z. B. die als NLC und PMSE bekannten Eisteilchen, die aus Wasserdampf kondensieren und die einen wichtigen Forschungsschwerpunkt am IAP darstellen. Man kann die Ursachen für jährliche und dekadische Variationen von NLC-Parametern erst dann schlüssig ergründen, wenn die entsprechenden Veränderungen in der Konzentration von Wasserdampf bekannt sind.
Zwar spielt H2O im Vergleich zur Temperatur für den Sättigungsdampfdruck eine untergeordnete Rolle und hat somit kaum Einfluss auf die Bildung von Eisteilchen, jedoch bestimmt die Menge an Wasserdampf, die für die Bildung von Eisteilchen verfügbar ist, die Größe der Eisteilchen und damit (wegen der r6-Abhängigkeit des Streuquerschnitts) ganz entscheidend die Sichtbarkeit und Nachweisbarkeit von NLC. Wasserdampf spielt auch zur Verifikation von Chemie/Transport-Modellen eine wichtige Rolle, da die Konzentration sowohl von photochemischen Prozessen (z.B. Erzeugung durch Oxidation von Methan und Zerstörung durch Photodissoziation durch Lyalpha) als auch vom Transport aus der unteren Atmosphäre bestimmt wird.
Das IAP betreibt seit 2009 ein Mikrowellenspektrometer zur Bestimmung von Wasserdampfprofilen bis zu einer Höhe von ca. 85 km. Dieses Gerät wird MISI genannt (MIcrowave Spectrometer at IAP). Die hier dargestellten Eigenschaften von MISI beruhen im Wesentlichen auf der Beschreibung eines baugleichen Instruments durch Hallgren et al. [2009].
Die Abbildung zeigt das Instrument in Kühlungsborn kurz nach der Installation. Man erkennt einen der ellipsenförmigen Spiegel, den Dewar (mit den beiden Einkoppelfenstern) sowie das Gestell für Computer etc. Das schwarze Fenster nach draußen besteht aus Plastazote, welches für Mikrowellenstrahlung transparent ist, andererseits das Eindringen von Regenwasser etc. verhindert.
Das Spektrometer detektiert einen Rotationsübergang von Wasserdampf bei 22 GHz und vermisst die spektrale Form des Signals. Da die spektrale Breite bis zu einer Höhe von 85 km durch Stöße mit Molekülen der Hintergrundatmosphäre bestimmt wird, kann man aus dem breiten (bzw. schmalen) Teil des Spektrums die Konzentration in niedrigen (bzw. großen) Höhen ableiten.
Das Instrument besteht aus einer Empfangsantenne, einer Verstärker- und Mischereinheit sowie einem Spektrometer. Das Eingangssignal wird durch einen OMT (ortho mode transducer) in die horizontale und vertikale Polarisation aufgespalten, wodurch die insgesamt nachweisbare Signalstärke fast verdoppelt wird. Wie in der Mikrowellen-Radiometrie üblich, werden Strahlungsleistungen im
Folgenden als äquivalente Temperatur angegeben. Dies beruht darauf, dass bei großen Wellenlängen die gemessene Intensität bei fester Frequenz proportional zur Temperatur ist. Diese Näherung gilt sehr gut für cm-Wellen, also z. B. für die Wellenlänge unseres Spektrometers (λ ~1,5 cm).
Zur Kalibrierung der Intensitätsmessung wird die Antenne zwischen den Atmosphärenmessungen mit den Strahlungen von zwei Hohlraumstrahlern bei festen Temperaturen (50 K und 120 K) gespeist. Die Besonderheit des Instruments besteht darin, dass sich die Empfangsantenne, der OMT sowie die erste Verstärkerstufe (HEMT-Verstärker: high electron mobility transistor) innerhalb des auf 30 Kelvin gekühlten Dewars befinden, sodass die Rauschtemperatur auf nur 32-34 K reduziert wird. Dies stellt im Vergleich zur bisherigen Version eine erhebliche Verbesserung dar.
Ein Beispiel für eine Messung ist in der folgenden Abbildung zu sehen. Im rechten Teil ist das abgeleitete Wasserdampfprofil dargestellt. Man erkennt zwei Maxima in ca. 40 km und ca. 60 km Höhe, die vermutlich auf die Erzeugung von Wasserdampf durch die Oxidation von Methan, bzw. durch autokatalytische Prozesse hervorgerufen werden.
