Das stationäre und transportable Kalium-Resonanzlidar

Das IAP betreibt zwei ähnliche Lidargeräte, die es ermöglichen, die atmosphärische Kaliumschicht zu untersuchen und daraus Temperaturprofile für den Höhenbereich von etwa 80 bis 110 km zu berechnen. Außerdem ist es mit diesen Lidars möglich Eisteilchen (NLC) zu beobachten. Während das stationär Kalium-Resonanzlidar am IAP in Kühlungsborn (54° N, 12° O) aufgebaut ist, wird das transportable Kalium-Resonanzlidar an verschiedenen Orten benutzt, um eine globale Klimatologie der Temperaturstruktur der Mesopausen-Region zu erstellen.

Methode

Mit dem Kalium-Resonanzlidar wird spektroskopisch die Dopplerbreite der Kalium-Resonanzlinie bei 770 nm ermittelt. Dazu wird der Sendelaser periodisch über den größten Teil der Linie (3,2 pm) durchgestimmt und die Rückstreuung aus der Mesopausenregion höhen- und wellenlängenabhängig registriert. Die effektive Kurvenform setzt sich als Überlagerung der einzelnen Doppler-verbreiterten Hyperfeinstrukturkomponenten zusammen. Aus der gemessenen Spektralform wird mit einem numerischen Verfahren die entsprechende Temperatur der Atmosphäre bestimmt.

Bei Lidarmessungen an den mesosphärischen Metallschichten werden nur sehr geringe Signalstärken erreicht, so dass empfindliche Detektoren zur Erfassung einzelner Photonen verwendet werden müssen. Der Untergrund der Messung wird im Wesentlichen durch in der Atmosphäre gestreutes Sonnenlicht verursacht. Während bei nächtlicher Dunkelheit die Verwendung von Interferenzfiltern ausreicht um ein gutes Signal/Untergrund-Verhältnis zu erzielen, sind am Tage schmalbandigere Filter aufgrund der mehrere millionenfach höheren Himmelshelligkeit notwendig. Seit 2000 können mit beiden Lidars auch Messungen am Tag durchgeführt werden.

Sendeeinheit

Lasermedium2 Alexandritkristalle, Cr3+ :BeAl2O4
GeometrieRingresonator, unidirektional
Wellenlänge770 nm, durchstimmbar
ModenstrukturTEM00
Bandbreite<<20 MHZ (FWHM)
Polarisationlinear
Repetitionsrate35 Hz
Pulsenergie150 mJ
Energieschwankungen5% (1σ)
Pulslänge250 ns (FWHM)
Strahldurchmesser2,5 mm, nach AWT 6,7 mm
Strahldivergenz (voller Winkel)0,45 mrad, nach AWT 0,3 mrad

Empfangseinheit

Teleskoped = 80 cm, f = 199,5 cm
Gesichtsfeld192 µrad
breitbandige FilterungIF-Filter (1nm, Τ=70%)
schmalbandige Filterung2 Kalium-FADOF (1800 G), 124° C, T = 75%
gesamte Transmission50 %
Kontrast (FADOF)1:10.000
Bandbreite (FWHM)6,7 pm
Einfluss auf die Temperatur±0,5 K
DetektorAPD
Photoneneffizienz68% @ 770 nm

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Ansprechpartner

Dr. Josef Höffner

    Temperaturzeitreihe

    Fünftägige Messreihe über Kühlungsborn im Februar 2003

    Kalium-Resonanzlinie

    Doppler-verbreiterte Kurvenform der Kalium-Resonanzlinie bei verschiedenen atmosphärischen Temperaturen.

    Aufbau

    Veröffentlichungen

    • Höffner und von Zahn, ESA Symposium, 1995
    • Von Zahn und Höffner, GRL 1996
    • Fricke-Begemann et al., OL 2002
    • Höffner und Fricke-Begemann, OL 2005