HSRL

Motivation

Die High-Spectral-Resolution (HSR) – Technik (Shipley et al., 1983) wird zur Bestimmung des Partikel-Rückstreu- und des ‑Extinktionskoeffizienten des untersuchten atmosphärischen Volumens eingesetzt. Die Gleichungen sind denen der Raman-Lidar-Technik ähnlich. Beide Verfahren haben den Vorteil gegenüber dem „einfachen“ Rückstreulidar, dass die 2 Partikelparameter aus 2 unabhängigen Messungen bestimmt werden, was den Fehler durch den Einfluss falscher Annahmen deutlich reduziert.

Die High-Spectral-Resolution – Technik nutzt elastisch rückgestreutes Licht, dadurch kann sie auch tagsüber eingesetzt werden.

Methode

Spektrum der rückgestreuten Strahlung der Moleküle (blau) und der Partikel (gelb) bei einer Temperatur von 15 °C und einem Luftdruck von 1000 hPa.

Ein HSR-Kanal trennt das Licht, das von Molekülen elastisch rückgestreut wird, von dem Licht, das von Partikeln elastisch rückgestreut wird. Dabei wird ausgenutzt, dass die Dopplerverbreiterung des Lichts, das von den Molekülen rückgestreut wird, deutlich größer ist als die des Lichts, das von den Partikeln rückgestreut wird. Diese unterschiedliche Dopplerverbreiterung wird durch die wesentlich höheren Geschwindigkeiten der Moleküle als die der Partikel in der Atmosphäre verursacht.

Bei 532 nm Wellenlänge des emittierten Laserlichts wird im HSR-Kanal oft eine Jodzelle genutzt. Der (geseedete) Laser wird betrieben, dass dessen Wellenlänge genau mit der Wellenlänge eines geeigneten Jodabsorptionsmaximums übereinstimmt. Das rückgestreute Licht wird durch Durchgang durch die Jodzelle spektral verändert, da das Licht der Partikelrückstreuung vollständig bzw. fast vollständig absorbiert wird. Nach Durchgang durch die Jodzelle wird durch den HSR-Kanal also ein Signal detektiert, das wesentlich durch die Molekülrückstreuung verursacht wird.

Funktionsprinzip des HSR-Lidars: Ein Teil des elastisch rückgestreuten Lichts wird im Gesamtkanal für Molekül- und Partikelrückstreuung (Gesamtsignal) detektiert. Aus einem zweiten Anteil des rückgestreuten Lichts wird der Anteil des durch Partikel rückgestreuten Lichts durch eine schmalbandiges Filter (Jodzelle) unterdrückt und die verbleibenden Molekülrückstreuanteile im HSR-Kanal detektiert (HSR-Signal).

Es ergibt sich die Lidargleichung für das HSR-Signal:

κmol und κaer sind Faktoren, die das Dämfungsverhalten des Filters im HSR-Kanal beschreiben. Die Erklärung der anderen Zeichen in dieser Gleichung findet man hier. Es ist zu beachten, dass die Frequenzen des emittierten und des detektierten Lichts sich nur um maximal 3 GHz unterscheiden, also die Wellenlängen quasi gleich sind.

Aufbau

Befüllte Glasküvette mit geschwärztem Rohr und Kupfermantel.

Zum Aufbau des Filters im HSR-Kanal wird eine Jodzelle genutzt. Ein ca. 40 cm langes Glasrohr mit 2 optischen Fenstern an den Stirnseiten wurde erst evakuiert und dann mit Jod (unter Ausnutzung seines Gleichgewichtsdampfdrucks von 137 Pa) bei 40 °C befüllt. Diese Zelle wurde in eine temperierte Halterung eingebaut, deren Temperatur bei Betrieb konstant auf 35 °C gehalten wird. 

Alle weiteren Elemente des HSR-Kanals sind analog den anderen Kanälen des Lidars aufgebaut.

Weiterführende Literatur

S. T. Shipley, et al. (1983), High spectral resolution lidar to measure optical scattering properties of atmospheric aerosols. 1: Theory and instrumentation, Appl. Opt. 22, 3716-3724.

Edwin E. Eloranta (2005), High Spectral Resolution Lidar, in Lidar - Range-resolved optical remote sensing of the atmosphere, C. Weitkamp (Ed.), Springer, New York (ISBN 0-387-40075-3).

 

 

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