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Obere AtmosphäreBasis |
Messtechniken in der StratosphäreWenn wir unser Wissen um Gaskonzentrationen in der Stratosphäre präsentieren, mag die Frage auftauchen: Woher wissen wir das? Die Stratosphäre beginnt erst in 8-15 km Höhe. Die wirklich interessanten Regionen beginnen in Höhen, die nomale Flugzeuge nicht mehr erreichen.
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Es gibt zwei Möglichkeiten, Substanzen und Konzentrationen in der Stratosphäre zu untersuchen.
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FlugzeugeSpektakuläre Messungen sind mit speziellen Flugzeugen möglich, wie z.B. dem umgebauten russischen Spionageflugzeug, das mittlerweile auf den Namen „Geophysica" getauft wurde. Das für extreme Höhen gebaute Flugzeug fungiert heute als fliegendes Labor und erreicht Höhen um die 20 km. Doch solche Flüge sind sehr teuer.
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In Deutschland wird ab dem Jahr 2009 ein neues Höhenforschungsflugzeug für die Erforschung der oberen Luftschichten verfügbar sein. Es wird den Namen "Halo" tragen (High Altitude and LOng Range Research Aircraft) und sowohl für Höhen im Bereich von 15 km als auch für Flugstrecken zwischen den Kontinenten (Reichweite > 10.000 km) geeignet sein. Halo ist ein Projekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, der Helmholtz-Gesellschaft und der Max-Planck-Gesellschaft.Weitere Informationen unter: www.halo.dlr.de |
BallonsEine weiter verbreitete Alternative sind Messungen mit Ballons. Wetterballons erreichen Höhen von 30-35 km, bevor sie zerplatzen. Sie können z.B. einen kleinen Ozonsensor mit sich tragen, der ein Funksignal zur Erde sendet, welches die Ergebnisse von gut bekannten chemischen Reaktionen zur Ozonbestimmung übermittelt. Wenngleich Ozon heute auch von Satelliten gemessen wird, ist die Ozonsonde für die Messung eines Höhenprofils immer noch das Mittel der Wahl. [Sollte der Leserin oder dem Leser zufällig beim Spazieren ein planlos in der Landschaft liegendes Kästchen auffallen, dessen Inhalt so aussieht wie die Abbildung unten … meist steht eine Anschrift darauf, an der das gute Stück abzugeben ist. Der Meteorologe oder Klimaforscher wird dankbar sein, da die Ozonsonden bei Auffinden nach dem Absturz durchaus mehrfach einsetzbar sind. Ein Peilsender allerdings wäre zu teuer.]
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Wechselwirkung mit LichtWas da geschieht, ist sehr schwierig zu verstehen und noch als Student zerbricht man sich in einer Vorlesung über Quantenphysik den Kopf. Jedoch merken müssen wir uns: Wenn Licht und Materie (auch Luftmoleküle) zusammenstoßen, geschieht etwas, was das Licht zurückwirft, aufnimmt oder aufnimmt und verändert weitergibt. Da diese Prozesse für jedes Licht und jeden Stoff verschieden sind, können wir mit dem Wissen hierüber die Atmosphäre erforschen.
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Wir beobachten: Das direkte Sonnenlicht wird blockiert, wenn Wolken sich vor die Sonne schieben, obwohl sie nur aus Wassertröpfchen oder Eiskristallen bestehen. Wenn wir tief ins Meer tauchen, wird es dunkler und dunkler, weil Licht ‚geschluckt' wird. Ein Sandsturm in der Sahara lässt die Sonne verblassen. Nicht nur größere Partikel und Wassertröpfchen absorbieren Licht, auch die Luftmoleküle. Sie werfen es zur Erde zurück oder verändern die Wellenlänge des Lichtes. So etwas kennen wir von fluoreszierendem oder phosphoreszierendem Spielzeug. Die kleinen Plastikgespenster nehmen Tageslicht oder Lampenlicht in einer hellen Umgebung auf und geben Licht anderer Wellenlänge in der Dunkelheit ab. Das Anderssein dieses Licht erzählt uns etwas über den Stoff, der es abgibt. Seine Intensität erzählt uns etwas über die Konzentration.
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Die Wechselwirkung von Licht mit Molekülen in der Stratosphäre kann ebenso vom Erdboden aus wie von Satelliten aus dem Weltall beobachtet werden. LidarLIDAR (LIght Detection And Ranging) ist eine Technik, die von der Erde aus angewandt werden kann. Ein kurzer Laserpuls sehr intensiven Lichtes wird in den Himmel geschickt. Nach einer Weile kommt das zurückgestreute oder verändert emittierte Licht zurück und wird gemessen. |
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Wir erhalten Informationen darüber, auf welche Substanzen es getroffen ist (Wellenlänge des zurückkommenden Lichtes) und in welcher Konzentration diese Substanzen vorliegen (Intensität des zurückkommenden Lichtes). Die Animation links zeigt die Lichtteilchen eines Laserpulses, die in verschiedenen Höhen von Molekülen in der Luft zurückgeworfen werden und nach verschiedenen Flugzeiten wieder auf dem Detektor auftreffen. Das Bild ist stark vereinfacht. Sowohl die Moleküle könnten verschieden sein als auch die zurückgeworfenen Lichtteilchen. |
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Radar und SodarVerschiedene Varianten der LIDAR Messung werden angewandt, z.B. auch mit Infrarotlicht. Bekannter ist RADAR (RAdio Detection And Ranging). Hiermit lassen sich Partikel in der Luft analysieren und auch die Eigenschaften von Wolken. Mit Radarmessungen kann man z.B. Gewitterzellen über mehrere 100 km verfolgen. Wird Schall (sound) anstelle von Licht verwendet (SODAR = SOund Detection And Ranging), so haben wir ein leistungsfähiges Hilfsmittel zur Messung von Windgeschwindigkeiten.
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Die Instrumente auf den Satelliten können Sonnenlicht messen, das von Wolken oder Luftmolekülen zurückgeworfen wird (1). Infrarotspektrometer können auch direkt die langwellige Strahlung messen, die von der Erdoberfläche ausgesandt wird (2). In bestimmter Position des Satelliten zur Sonne passieren die Sonnenstrahlen die Erde tangential und gehen direkt durch die Atmosphäre zum Detektor auf dem Satelliten (3). In Abhängigkeit vom Einfallswinkel durchläuft das Licht verschiedene Teile der Atmosphäre und höhenabhängige Informationen können gewonnen werden.
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