Climate research needs exact data
For measurements with the atmosphere research instrument GLORIA, PTB ensures the exact measurement of the concentration of greenhouse gases via the traceability to the International Temperature Scale
16.12.2013
Blick von GLORIA auf eine Wolkenszene, aufgenommen in 14 km Höhe. Das Infrarotbild von GLORIA in Falschfarben (blau, rot) sieht nur einen Ausschnitt der Szene und zeigt hier die im Wellenlängenbereich von 10.5 µm bis 12.5 µm integrierte Strahlung. Treibhausgase lassen sich durch ihre spektrale Signatur identifizieren – so können über den Verlauf eines Fluges Konzentrationsprofile von klimarelevanten Gasen in der Atmosphäre ermittelt werden. Dies ist in der Grafik in der rechten unteren Ecke beispielsweise für Salpetersäure in verschiedenen Höhen im Übergangsbereich zwischen Troposphäre und Stratosphäre und überflogenen geographischen Breiten von Süddeutschland bis Nordskandinavien und zurück dargestellt.
Der Klimawandel wird durch infrarotaktive Spurengase in der Atmosphäre verursacht. Das wichtigste dieser Treibhausgase ist Wasserdampf. Ohne ihn wäre es auf der Erde im Durchschnitt 20 °C kälter und Leben, wie wir es heute kennen, nicht möglich. Andere, großenteils vom Menschen erzeugte Treibhausgase sind Kohlendioxid, Methan und FCKWs. Sie entfalten ihre Wirksamkeit vor allem in der oberen Troposphäre sowie der Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre, also in Höhen zwischen 10 km und 20 km. Insbesondere wird diskutiert, ob Veränderungen des Wasserdampftrends in dieser Höhe unverstandene Änderungen der Bodentemperatur verursachen können.
Die genannten Gase sind Treibhausgase, weil sie im infraroten Spektralbereich emittieren. Sie lassen sich daher auch über ihre Infrarotemission nachweisen. Das federführend von FZJ und KIT entwickelte Atmosphärenforschungsinstrument GLORIA vermisst hierzu die spektralen Signaturen dieser Spurengase mit dem Verfahren der Horizontsondierung. GLORIA ist ein flugzeuggetragenes Infrarot-Fourierspektrometer in Kombination mit einem zweidimensionalen Infrarot-Detektor, das mehr als 16 000 orts- und spektral aufgelöste Atmosphärenbeobachtungen simultan durchführen kann. Das Instrument erzeugt dreidimensionale Bilder der Atmosphäre im Spektralbereich von 7 µm bis 13 µm mit bisher unerreichter Auflösung. Durch die Horizontsondierung lässt sich die vertikale Schichtung der Gase in der Atmosphäre besonders gut auflösen. Die erforderliche Genauigkeit wird aber nur erreicht, wenn die Infrarotstrahlung auf besser als 1% bekannt ist, und hierzu muss wiederum die Strahlungstemperatur der Referenzstrahler auf mindestens 100 Millikelvin (mK) genau sein.
Für die regelmäßig wiederkehrenden Influg-Kalibrierungssequenzen von GLORIA sind von der BUW großflächige Referenz- bzw. Schwarzkörperstrahler entwickelt worden, die aufgrund einer innovativen Oberflächenstruktur extrem hohe Schwärze bei sehr guter Temperaturhomogenität aufweisen und damit in sehr guter Näherung während des Fluges Planck’sche Strahlung definierter Temperatur zur Verfügung stellen. Um die sehr hohen Anforderungen an die Kenntnis der Strahlungstemperatur dieser Referenzstrahler erfüllen zu können, wurden sie in der PTB umfassend radiometrisch charakterisiert und kalibriert. Hier gestattet es eine europaweit einmalige Anlage, diese hohen Anforderungen an die Kalibrierung zu erfüllen: An der Reduced Background Calibration Facility (RBCF) der PTB wurden die am Flugzeug eingesetzten Referenzstrahler von GLORIA mit Messunsicherheiten von kleiner als 100 mK auf die Strahlungstemperaturskala der PTB, den bestmöglichen nationalen Vergleichsstandard, rückgeführt. Die RBCF ist eine Messanlage, die speziell für die Kalibrierung von Erdfernerkundungsinstrumenten entwickelt wurde, die im infraroten Spektralbereich messen. Im Fall von GLORIA wurde sie erstmals im Bereich der Klimaforschung eingesetzt.
GLORIA hat bereits erste Messflüge während der ESA-Messkampagne ESSenCe im Dezember 2011 auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug Geophysica sowie während der TACS/ESMVal-Kampagne im Sommer 2012 auf dem deutschen Forschungsflugzeug HALO durchgeführt, in denen das Instrument seine Funktion und Kalibrierung unter Beweis stellen konnte. Weitere Flüge, insbesondere auf HALO, für das GLORIA entwickelt wurde, werden folgen. Um mögliche Veränderungen in den Strahlungstemperaturen der Referenzstrahler beobachten zu können, wurden die Strahler jeweils vor und nach den entsprechenden Flugzeugkampagnen an der RBCF kalibriert.
Die beteiligten Wissenschaftler planen, die erfolgreiche Zusammenarbeit fortzusetzen, um dauerhaft auf die Internationale Temperaturskala rückgeführte, hochgenaue, klimarelevante Daten über die obere Troposphäre und die untere Stratosphäre zu erhalten. Die von der BUW und der PTB gewonnenen Erfahrungen an den flugzeuggetragenen Referenzstrahlern sollen unter anderem 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.