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Rückgeführte Atmosphärenmessungen mit GLORIA für die Klimaforschung

15.10.2013

Für die genaue Bestimmung der Dichteverteilung von Spurengasen sowie von Temperaturverläufen in der Erdatmosphäre sind quantitative spektroskopische Messungen im infraroten Spektralbereich unentbehrlich. Die Rückführung solcher radiometrischen Messungen auf die Internationale Temperaturskala  über das plancksche Strahlungsgesetz ist eine unverzichtbare Grundlage, um kleinstmögliche Messunsicherheiten zu erzielen und langfristige Trends sicher nachzuweisen ...

Abb. 1: Das Infrarot-Fourierspektrometer GLORIA (links), das am Rumpf eines Forschungsflugzeuges montiert (rechts) Messungen zu Teilchendichten und Temperaturen in der Erdatmosphäre durchführt.

Abb. 2: Das Messprinzip der Horizontsondierung. Das Infrarot-Spektrometer "schaut" entlang seiner Sichtlinie durch die Atmosphäre. Dabei beobachtet es die Infrarotstrahlung aller Spurengasmoleküle, die auf dieser Sichtlinie liegen. Die Blickrichtung verläuft knapp oberhalb des Erdhorizontes. Aufgrund der mit der Höhe abnehmenden Dichte der Erdatmosphäre kommt der größte Teil des Messsignals aus dem Gebiet des erdnächsten Punktes. Der Array-Detektor von GLORIA erlaubt es, Spektren aus einem ausgedehnten Bereich von ca. 4 km bis zur Flughöhe simultan aufzunehmen.

Abb. 3: Prinzipieller Aufbau eines der zwei Influg-Referenzstrahler für das GLORIA Infrarot-Fourierspektrometer .

Abb. 4: Die Reduced Background Calibration Facility der PTB, die die radiometrische und thermometrische Kalibrierung von Infrarot-Strahlern und Infrarot-Detektorsystemen für die Erdfernerkundung unter anwendungsnahen Bedingungen erlaubt.

Abb. 5: GLORIA mit Referenzstahler (roter Kreis) auf den Höhenforschungsflugzeug HALO (links) und auf der Geophysica (rechts).

Abb. 6: Eine Flugroute von GLORIA auf Halo im Rahmen der TACS/ESMVal- (Transport and Composition in the UTLS/Earth System Model Validation) Messkampagne im September 2012.

Für die genaue Bestimmung der Dichteverteilung von Spurengasen sowie von Temperaturverläufen in der Erdatmosphäre sind quantitative spektroskopische Messungen im infraroten Spektralbereich unentbehrlich. Die Rückführung solcher radiometrischen Messungen auf die Internationale Temperaturskala über das plancksche Strahlungsgesetz ist eine unverzichtbare Grundlage, um kleinstmögliche Messunsicherheiten zu erzielen und langfristige Trends sicher nachzuweisen. Die PTB hat dafür in Zusammenarbeit mit der Bergischen Universität Wuppertal (BUW), dem Forschungszentrum Jülich (FZJ) und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die Kalibrierstrahler des hochmodernen Atmosphärenforschungsinstruments GLORIA (Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere, Abb. 1) mit Messunsicherheiten von kleiner als 100 mK auf die Strahlungstemperaturskala der PTB rückgeführt.

GLORIA ist ein flugzeuggetragenes Infrarot-Fourierspektrometer in Kombination mit einem ortsauflösenden Infrarot-Detektor, das gleichzeitig mehr als 16.000 orts- und spektral aufgelöste Atmosphärenbeobachtungen durchführen kann. Mittels Horizontsondierung (Abb. 2) erzeugt das Instrument 3-dimensionale Bilder der Atmosphäre im Spektralbereich von 7 µm bis 13 µm mit bisher unerreichter Auflösung. Von besonderem Interesse ist dabei die dynamische Übergangsregion der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS Region) in etwa 10 bis 15 km Höhe, die eine hohe Relevanz für das Erdklima besitzt.

Für die regelmäßig wiederkehrenden Influg-Kalibrierungssequenzen von GLORIA sind von der BUW großflächige Schwarzkörperstrahler entwickelt worden, die aufgrund einer innovativen Oberflächenstruktur extrem hohe Schwärze bei sehr guter Isothermie aufweisen und damit in sehr guter Näherung während des Fluges plancksche Strahlung bekannter Temperatur zur Verfügung stellen (Abb. 3). Um die sehr hohe Anforderung an die genaue Kenntnis der Strahlungstemperatur dieser Referenzstrahler erfüllen zu können, wurden die Strahler an der Reduced Background Calibration Facility (RBCF, Abb.4) der PTB umfassend radiometrisch charakterisiert und kalibriert. Die RBCF ist eine in Europa einzigartigen Messanlage, die speziell für die Kalibrierung von Erdfernerkundungsinstrumentierungen im infraroten Spektralbereich unter anwendungsnahen Bedingungen entwickelt wurde.

GLORIA hat bereits erste erfolgreiche Messflüge auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug Geophysica während der ESA-Messkampagne ESSenCe und auf dem deutschen Forschungsflugzeug HALO während der TACS/ESMVal-Campaign durchgeführt, in denen das Instrument seine Funktion und Kalibrierung unter Beweis stellen konnte (Abb. 5 und 6). Weitere Flüge, insbesondere auf HALO, für das GLORIA entwickelt wurde, werden folgen. Um mögliche Veränderungen in den Strahlungstemperaturen der Referenzstrahler verfolgen zu können, wurden die Strahler jeweils vor und nach den entsprechenden Flugzeugkampagnen an der RBCF kalibriert.

Es ist geplant, die sehr erfolgreiche Zusammenarbeit fortzusetzen, um dauerhaft auf die Internationale Temperaturskala rückgeführte, hochgenaue, klimarelevante Daten über diese wichtige Region der Atmosphäre zu erhalten. Die von der BUW und der PTB gewonnen Erfahrungen an den flugzeuggetragenen Referenzstrahlern sollen auch in die Entwicklung von Kalibrierstrahlern für ein ballongetragenes GLORIA-Instrument einfließen und damit auch als Test für eine spätere satellitengetragene Version des Fourierspektrometers dienen.

Opens external link in new windowC. Monte, B. Gutschwager, A. Adibekyan, M. Kehrt, A. Ebersoldt, F. Olschewski, and J. Hollandt, Atmos. Meas. Tech. Discuss. 6, 5251 (2013)

Ansprechpartner:

J. Hollandt, 7.3, E-Mail: Opens window for sending emailJoerg.Hollandt(at)ptb.de