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Optische Feuchtemetrologie für die internationale meteorologische Spitzenforschung

Nachricht des Jahres im PTB-Jahresbericht 2015
01.04.2016

Wasserdampfmessungen zählen zu den wichtigsten, aber auch schwierigsten Messungen an Bord von Forschungsflugzeugen. Während der letzten fünf Jahre wurden an der PTB, teilweise in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich, zwei vollkommen neue Hygrometer-Gerätefamilien („SEALDH“ und „HAI“) entwickelt, die dank konsequenter metrologischer Rückführung zuverlässigere Messdaten versprechen.

Hauptgerät mit sämtlicher Steuerelektronik, welches im Rumpf des Flugzeugs eingebaut wird.

Beide Gerätefamilien basieren auf der direkten Infrarot-Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (Direct Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, dTDLAS), die mit einer sogenannten „First-principles“-Auswertemethode kombiniert wurde. Das bedeutet vor allem, dass die beiden Hygrometer keine Kalibrierung mit Referenzgasen benötigen. Stattdessen werden die Werte mittels eines vollständigen physikalischen Modells ermittelt. Schlüsselfaktoren zur Umsetzung waren die langjährige Erfahrung mit dTDLAS-Systemen, die umfangreiche, über nahezu zwei Jahre durchgeführte Validierung des Messprinzips an den Feuchte-Primärgeneratoren der PTB und die Nutzung rückgeführter Spektraldaten der PTB. Mittlerweile wurden vier dTDLAS-Systeme realisiert, die bereits vier nationale Flugkampagnen auf einem Learjet 35A (ca. 50 Flugstunden) und vier internationale Messkampagnen auf einer Gulfstream G550 (ca. 300 Stunden) erfolgreich absolviert haben. Der Erfolg gründet sich auf vielerlei technische Detaillösungen, die auch im Flug metrologisch validierte Messunsicherheiten von 4,3 % relativ (bzw. min. 3 μmol/mol) erlauben, was in der Atmosphärenforschung bislang unerreicht ist. In Kombination aller metrologischen Erkenntnisse und Fähigkeiten sind damit erstmals, auch im Flug, rückgeführte Absolutergebnisse mit spektroskopischen Hygrometern möglich.