Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung eines durchstimmbaren Lidartransmitters im ultravioletten Spektralbereich für die Vermessung von Ozon in der Tropopausenregion

Eine wichtige Frage in der aktuellen Wetter- und Klimaforschung ist
die quantitative Erfassung des Luftmassenaustauschs durch die
Tropopause. Dabei hat insbesondere der Fluss an Ozon und
Wasserdampf durch die Tropopause einen großen Einfluss auf die
Chemie und die Strahlungsbilanz der Atmosphäre und spielt damit
eine wichtige Rolle für das Verständnis und die Vorhersage des
globalen Klimawandels. Mit modernen meteorologischen
Messinstrumenten sind die Beobachtungsfehler allerdings teilweise
noch vergleichsweise groß und manche Größen lassen sich nur
indirekt bestimmen. Es besteht daher großer Bedarf an zusätzlichen
und genaueren Beobachtungsmethoden, mit möglichst hoher räumlicher
und zeitlicher Auflösung und hoher Genauigkeit. Im Rahmen dieser
Arbeit wurde das Messinstrument AMALFI (Amalgamated Lidars for the
Measurement of Trace Gas Fluxes in the Atmosphere), zur
Tracer-basierten Vermessung von Austauschprozessen durch die
Tropopause, fertiggestellt. Es wurde ein leistungsstarkes Ozonlidar
entwickelt, das die Möglichkeiten des am DLR bestehenden
Wasserdampflidar WALES (WAter Vapor Lidar Experiment in Space)
dahingehend erweitert, dass Ozon und Wasserdampf gleichzeitig mit
einem Instrument gemessen werden können. Dazu wurde ein
OPO-basierter Frequenzkonverter entwickelt, welcher aus dem Licht
der Wellenlänge 1064 nm die erforderlichen UV-Wellenlängen
durchstimmbar im Bereich um 305 nm mit einer mittleren
Ausgangsleistung von über 1 Watt erzeugt. Dabei lag aufgrund der
limitierten Zerstörschwellen der Optiken die größte Herausforderung
in der Steigerung der mittleren Ausgangsleistung um eine
Größenordnung im Vergleich zum bereits am DLR bestehenden
Ozonlidar-Transmitter. Der hier entwickelte flugzeugtaugliche
Konverter ist optisch sowie mechanisch und elektrisch mit den
100-Hz Nd:YAG-Pumpmodulen von WALES kompatibel, sodass eine
unkomplizierte und schnelle Modifikation von dem
Vier-Wasserdampf-Wellenlängen-Lidar WALES auf das Zwei-Wasserdampf-
und Zwei-Ozon-Wellenlängen-Lidar ermöglicht wird. Mit AMALFI
besteht weltweit erstmals die Möglichkeit, mittels aktiver
Fernerkundung gleichzeitig Ozon und Wasserdampf in der
Tropopausenregion von dem Flugzeug HALO aus zu vermessen. Aufgrund
der mit HALO verbundenen Terminverzögerungen konnten keine
gemeinsamen Ozon- und Wasserdampf-Messungen vorgenommen werden.
Alternativ wurde der entwickelte Ozon-Lidartransmitter vom Boden
aus getestet und mit zwei unterschiedlichen Ozonmessverfahren des
DWD-Observatoriums vom Hohenpeißenberg validiert. Im Rahmen der
Messgenauigkeiten konnte eine Übereinstimmung der drei Instrumente
nachgewiesen werden. Weiter kann aus der Übereinstimmung zwischen
den experimentellen Messungen und den numerischen Simualtionen
gefolgert werden, dass mit dem Ozonlidar im Flugzeugbetrieb die
gestellten Anforderungen zur Vermessung von Ozon im
Tropopausenbereich in Bezug auf Auflösung und Genauigkeit
tatsächlich erfüllt werden. Damit konnte dessen Eignung im Rahmen
der gegebenen Möglichkeiten bewiesen werden. Mit dem hier
komplettierten System AMALFI können künftig unter der Verwendung
von Wasserdampf und Ozon als sogenannte Tracer gezielt
Stratosphären-Troposphären-Austauschprozesse analysiert werden.
Somit steht mit AMALFI in der STE-Forschung ein neuartiges
Messinstrument mit einer noch nie dagewesenen Messabdeckung von der
regionalen bis zur kontinentalen Skala mit der dafür notwendigen
hohen räumlichen Auflösung und Genauigkeit zur Verfügung.