Lidar-Messung der Extinktion des atmosphärischen Aerosols am Beispiel der Feldstudie SAMUM-1

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein spektral
hochauflösendes Lidar (HSRL) aufgebaut und während des
Feldexperiments SAMUM im Mai/Juni 2006 und im Januar/Februar 2008
an Bord des Forschungsflugzeugs Falcon betrieben. Die Intensität
von Lidar–Signalen wird maßgeblich durch die Rückstreuung und die
Extinktion der atmosphärischen Teilchen beeinflusst. Dabei stehen
die Rückstreuung und die Extinktion der Aerosole in keinem
konstanten Verhältnis zueinander. Die Messgröße eines normalen
Rückstreu–Lidars ist insofern mit zwei unbekannten Größen behaftet,
weshalb die direkte Messung der Aerosolextinktion mit einem solchen
Lidar nicht möglich ist. Im Gegensatz dazu wird bei der Methode des
HSRL neben der gesamten atmosphärischen Rückstreuung der Teil der
molekularen Rückstreuung gesondert gemessen. Die Messung des
molekularen Rückstreusignals wird durch die spektrale Filterung der
atmosphärischen Rückstreuung mit einem schmalbandigen optischen
Filter ermöglicht. Durch den Vergleich des gemessenen molekularen
Signals mit dem zu erwartenden kann die Aerosolextinktion direkt
bestimmt werden. Zum Aufbau des Instruments wurde eine
Joddampfabsorptionszelle konstruiert und in das Empfangsmodul des
bestehenden flugzeuggetragenen Lidars des Deutschen Zentrums für
Luft– und Raumfahrt integriert. Außerdem wurde der Lasertransmitter
des Lidars mit einem neuartigen Verfahren der opto–akustischen
Modulation frequenzstabilisiert. Während SAMUM–1 wurden damit
erstmalig die optischen Eigenschaften des reinen
Saharastaubaerosols, insbesondere dessen Extinktion, das Verhältnis
von Extinktion und Rückstreuung sowie die Depolarisation, in der
Nähe seiner Quellgebiete untersucht. Die Messungen des neuen HSRL
wurden zur Qualitätssicherung mit Hilfe unabhängiger Instrumente
validiert. Die Lidar–Verhältnis–Messungen wurden durch
Trajektorienanalysen auf mögliche Abhängigkeiten von
unterschiedlichen Quellgebieten untersucht. Die HSRL–Messungen der
Aerosol–optischen Dicke wurden mit satellitengestützten Messungen
verglichen. Südlich des Hohen Atlas Gebirges wurden
Aerosol–optische Dicken von 0,50 bis 0,60 gemessen. Es zeigte sich
eine ausgeprägte laterale Variabilität der Aerosol–optischen Dicke,
die bei homogenen Schichten allein auf deren unterschiedliche Dicke
zurückgeführt werden konnte. Die vertikalen Variationen des
Lidar–Verhältnisses zwischen 38 sr und 50 sr wurden durch
Trajektorienanalysen auf die Anströmung aus unterschiedlichen
Quellgebieten zurückgeführt. Im Depolarisationsverhältnis wurden
jedoch keine vertikale Variationen beobachtet, was auf eine
einheitliche Teilchenform schließen lässt. Die
Aerosoldepolarisation betrug in den Staubaerosolschichten 0,30 ±
0,02. Dies bestärkt die Annahme, dass das Lidar–Verhältnis in
erster Linie durch die unterschiedliche chemische Zusammensetzung
des Aerosols beeinflusst wird. Aufgrund der hohen natürlichen
Variabilität erscheint die Angabe eines mittleren Wertes als nicht
sinnvoll. Der Vergleich mit MISR–Messungen der Aerosol–optischen
Dicke zeigte größtenteils Übereinstimmung innerhalb der
Fehlergrenzen. Direkt über dem Hohen Atlas traten signifikante
Abweichungen auf, die durch die sich stark ändernde Topographie
erklärt werden können.