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. Warum ist z. B. die Häufigkeit von NLC über Kühlungsborn im Jahr 2009 so viel größer als 2008, obwohl die Temperaturen in der oberen Mesosphäre praktisch gleich sind und die meridionalen Winde keine verstärkte Drift von Eiswolken aus polaren Breiten erkennen? Die naheliegende Vermutung liegt in einer erhöhten Konzentration von Wasserdampf. Leider gibt es diesbezüglich kaum Messungen.

Zwar spielt H2O im Vergleich zur Temperatur für den Sättigungsdampfdruck eine untergeordnete Rolle und hat somit kaum Einfluss auf die Übersättigung. 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 Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Lindau betreibt seit ca. 10 Jahren auf ALOMAR ein Mikrowellenspektrometer zur Bestimmung von Wasserdampfprofilen bis zu einer Höhe von ca. 80 km, bei einer Integration über mehrere Tage. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms CAWSES wurde dieses Gerät im Jahre 2008 durch ein neuartiges Instrument ersetzt, welches aufgrund  einer wesentlich besseren Empfindlichkeit in der Lage ist, H2O-Profile bis ca. 85 km innerhalb weniger Stunden zu messen. Das IAP hat beim selben Hersteller ein praktisch baugleiches Instrument angeschafft. Dieses Gerät wurde im Herbst 2009 in Kühlungsborn installiert und wird MISI genannt (MIcrowave Spectrometer at IAP). Die hier dargestellten Eigenschaften von MISI beruhen im wesentlichen
auf der Beschreibung des ALOMAR-Instruments durch Hallgren et al. [2009].

Aufnahme des Mikrowellenspektrometers des IAP am Standort in Kühlungsborn.

Die Abbildung zeigt das Instrument in Kühlungsborn kurz nach der Installation. Man erkennt deutlich 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 (genauer: h*v << k*T) die Planck-Funktion der Hohlraumstrahlung in die Rayleigh-Jeans-Näherung übergeht, bei der 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.

Am 16.Oktober 2009 wurde das erste Wasserdampfprofil überhaupt in Kühlungsborn gemessen. Das Signal wurde über einen Zeitraum von nur 8 Stunden aufsummiert. Für die Qualität der Messung spricht, dass es praktisch keine systematischen Abweichungen zwischen gemessenem Signal und Fit gibt. Im rechten Teil der Abbildung ist das abgeleitete Wasserdampfprofil dargestellt. Man erkennt deutlich die beiden 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. Im Vergleich zu Satellitenmessungen erscheinen die Konzentrationen etwas zu niedrig. Zurzeit wird untersucht, worauf diese Abweichungen zurückzuführen sein könnten.

Mit dem neuen Wasserdampfspektrometer steht dem IAP ein neues Instrument zur Verfügung, welches sich hervorragend in die vorhandene Infrastruktur einfügt und das Spektrum der experimentellen und theoretischen Möglichkeiten zur Untersuchung der Stratosphäre und Mesosphäre erheblich erweitert.

Diese Abbildung zeigt das am 16. Oktober 2009 gemessene Wasserdampf-Profil, das erste in Kühlungsborn überhaupt. Links oben: gemessenes Spektrum nach Abzug des Untergrunds (blau) und Fit eines theoretischen Spektrums (grün). Links unten: Differenz zwischen Messung und Fit. Rechts: aus dem Spektrum abgeleitetes Wasserdampf-Profil (durchgezogene Linie) und a-priori-Profil (gestrichelt).