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Das RMR-Lidar in Kühlungsborn

Das Rayleigh-Mie-Raman-Lidar (RMR-Lidar) des IAP ist ein Mehrwellenlängenlidar, das zur Messung von Temperaturen und Aerosolparametern in der Atmosphäre benutzt wird. Dieses Lidar ist für Messungen bei Tag optimiert und misst folgende Parameter:

  • Temperaturen von 3 bis 90 km Höhe bei Nacht und von 30 bis 75 km Höhe bei Tag
  • NLC bei Tag und Nacht
  • Stratosphärische Aerosole bis ca. 40 km Höhe bei Nacht

2021 geht ein weiteres, moderneres RMR-Lidar in Betrieb, dass auf die Messung des horizontalen Windes zwischen ca. 15 und 75 km bei Nacht spezialisiert ist. Das Messprinzip entspricht dem des ALOMAR RMR-Lidars.

Schon von 1997 bis 2013 war das erste RMR-Lidar in Betrieb und hat die folgenden Parameter gemessen:

  • Temperaturen von 1 bis ca. 90 km Höhe bei Nacht
  • Nachtleuchtende Wolken (NLC) bei Nacht
  • Troposphärische und stratosphärische Aerosole bei Tag und Nacht

Alle Messungen finden routinemäßig jeweils bei wolkenfreiem Himmel statt. Das RMR-Lidar wird bei geeignetem Wetter manuell eingeschaltet und danach weitgehend automatisiert betrieben. Es erfordert keinen Bediener vor Ort und kann auch vollständig softwaregesteuert arbeiten. Pro Jahr werden rund 1200 bis 1500 Messstunden gesammelt.

    Insbesondere die Temperatur- und NLC-Messungen sind weltweit herausragend und werden außer am IAP in dieser Qualität nur noch mit dem ALOMAR-RMR-Lidar durchgeführt. Die wesentlichen Eigenschaften dieses Lidars werden im Folgenden beschrieben. Das Prinzip der Temperaturmessungen mit Rayleigh-Lidars ist hier erklärt.

    Der Sendezweig

    Der Sendezweig besteht aus einem injection-seeded Nd:YAG-Laser mit einer Wiederholrate von 30 Hz und ca. 600 mJ Pulsenergie bei 532 nm. Der Seedlaser ist kontinuierlich auf eine Jod-Absorptionslinie stabilisiert. Die Wellenlängendrift des gepulsten Lasers ist damit auch über lange Zeit viel kleiner als 0,1 pm. Zur Reduktion der Strahldivergenz auf ca. 50 μrad durchläuft der Laserstrahl ein 10-fach Aufweitungsteleskop, bevor er über mehrere Spiegel in die Atmosphäre gelenkt wird. Hinter dem Aufweitungsteleskop beträgt der Strahldurchmesser ca. 10 cm. Einer der Umlenkspiegel ist mit einer extrem schnellen und feinen Piezo-Verstellung versehen, die eine effektive Stabilisierung des Strahls am Himmel ermöglicht. Die Strahlstabilisierung ist notwendig, da das Gesichtsfeld des Empfangsteleskops (siehe unten) einen Durchmesser von nur ca. 60 μrad (ca. 0.003°) hat. Turbulenz in den verschiedenen Luftschichten sowie die thermische Drift der Spiegel verursachen eine ständige Verschiebung zwischen der Strahlachse und der Teleskopachse. Ohne Strahlstabilisierung wäre bereits nach wenigen Minuten kein Überlapp zwischen Laserstrahl und Teleskopgesichtsfeld mehr gegeben. Für die Strahlstabilisierung wird die Strahllage für jeden Laserpuls durch eine CCD-Kamera im Empfangsteleskop gemessen. Die Abweichung der Strahllage von der Sollposition wird innerhalb weniger tausendstel Sekunden ausgeglichen, d.h. noch vor dem nächsten Laserpuls.

    Der Nachweiszweig

    Der Nachweiszweig des RMR-Lidars besteht aus einem 80-cm-Newton-Teleskop mit ca. 3,2 m Brennweite, das gleichzeitig zur Detektion (90% der Rückstreuung) und zur Strahlstabilisierung (10%) dient. Im eigentlichen Detektionszweig begrenzt eine 0,2-mm-Quarzfaser das Gesichtstfeld auf ca. 60 μrad. Aufgrund dieses kleinen Gesichtsfelds kann nur wenig unerwünschte Himmelsstrahlung in den Detektionszweig gelangen, was eine der Voraussetzungen für Messungen bei Tag darstellt.

    Das Licht aus der Glasfaser wird kollimiert und durchläuft anschließend mehrere optische Filter. Diese dienen der weiteren Unterdrückung des Tageslichts. Die optischen Filter bestehen aus

    • einem Interferenzfilter mit 130 pm spektraler Breite,
    • einem Fabry-Perot-Etalon mit ca. 4 pm spektraler Breite und
    • einem Fabry-Perot-Etalon mit ca. 4,5 pm spektraler Breite.

    Durch die Kombination von Gesichtsfeld und spektralen Filtern wird die Himmelsstrahlung auf etwa 1:10000  reduziert. Dies ermöglicht Temperaturmessungen bis ca. 75 km Höhe und die Detektion auch schwacher NLC bei Tag.

    Veröffentlichungen (Auswahl)

    • M. Gerding, G. Baumgarten, M. Zecha, F.-J. Lübken, K. Baumgarten und R. Latteck, On the unusually bright and frequent noctilucent clouds in summer 2019 above Northern Germany, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 217, doi:10.1016/j.jastp.2021.105577, 2021.
    • K. Baumgarten, M. Gerding, G. Baumgarten und F.-J. Lübken, Temporal variability of tidal and gravity waves during a record long 10 day continuous lidar sounding, Atmos. Chem. Phys., 18, 371-384, doi:10.5194/acp-18-371-2018, 2018.
    • Gerding, M., M. Kopp, J. Höffner, K. Baumgarten, and F.-J. Lübken, Mesospheric temperature soundings with the new, daylight-capable IAP RMR lidar, Atmos. Meas. Tech., 9, 3707-3715, doi: 10.5194/amt-9-3707-2016, 2016
    • Eixmann, R., M. Gerding, J. Höffner, and M. Kopp, Lidars with narrow FOV for spectral and daylight measurements, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 53, 4548-4553, doi:10.1109/TGRS.2015.2401333, 2015

    Ansprechpartner

    Übersicht Messungen

    Einen Kalender mit den verfügbaren Messzeiten finden Sie hier.

    RMR-Lidar Kühlungsborn

    Das Institutsgebäude mit Laserstrahlen des neuen und alten RMR-Lidars

    Nachweiszweig

    Der Nachweiszweig des neuen RMR-Lidars