Ozon-Dial-Instrument

Die Stiftung Aifred-Wegener-Institut führ bereits seit dem Winter 1988189 Ozon-Dial- Messungen an der Koldewey-Station in NY-Alesund durch. War in den ersten Jahren das Meßinstrumen noch in einem Container untergebracht, erfolgte im Winter 1994195 der Auf- bau eines neuen Systems im damals neu errichteten NDSC-Observatorium. Daneben unter- häl die Stiftung Alfred-Wegener-Institut in NY-Alesund ein stratosphärische Aerosol-Lidar, das mit dem Ozon-Lidar so gekoppelt ist, da Ozon- und Aerosol-Messungen gleichzeitig vorgenommen werden können

Das Ozon-Dial-Instrument ist in Abbildung 3.3 schematisch dargestellt. Anhand dieses Schemas wird in Abschnitt 3.3.1 der Aufbau des Meßinstrument beschrieben und anschlie- ßen in Abschnitt 3.3.2 erläutert welche Parameter des Instruments den meßbare Höhen bereich begrenzen.

3.3.1 Instrumenteller Aufbau Laserlichtquelle

Da zum einen die Rückstreuintensität mit der Höh dramatisch abnehmen (siehe Abschnitt 3.1.2), sind fü stratosphärisch Lidar-Messungen Laser mit hoher Pulsenergie erforderlich.

Da sich zum anderen die Ungenauigkeit der Ozonkonzentration umgekehrt proportional zur Wurzel der Laserpulszahl verhält ist eine hohe Laserrepetitionsrate wünschenswert um bei möglichs hoher zeitlicher Auflösun eine möglichs hohe Genauigkeit zu erzielen.

Fü die Erzeugung der On-Wellenläng 308 nm wird ein XeCI-Excimerlaser mit einer Puls- energie von maximal 300 mJ (im Meßbetrie 150

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200 mJ) und einer Repetitionsrate von 90 Hz eingesetzt. Im breitbandigen Betrieb emittiert der Laser auf den beiden XeCI-Linien 307,9 nm und 308,l nm. Durch Feinabstimmung gelingt es jedoch, eine schmalbandige Emission auf nur einer der beiden Wellenlängen nämlic der intensiveren Linie bei 308,l nm, zu erzwingen. Bei optimaler Justage des Lasers beträg die Linienbreite auf dieser Wellen- läng Ca. 20 pm.

Die Off-Wellenläng 353 nm wird durch stimulierte Ramanstreuung aus der On-Wellenläng erzeugt, indem das Laserlicht in eine mit Wasserstoff gefüllt Zelle fokussiert wird und dabei ein Teil der Laserenergie konvertiert. Der Aufbau zur Erzeugung der Off-Wellenläng geht aus Abbildung 3.3 hervor. Mit Hilfe einer plankonvexen Linse wird das Laserlicht in die Zelle fokussiert. Beim Austritt aus der Zelle wird das Licht der beiden Wellenlänge durch eine plankonvexe Linse wieder parallelisiert. Der Vorteil dieser Methode zur Erzeugung der Off- Wellenläng besteht darin, da die beiden Wellenlänge kollinear in die Atmosphär ausge- sandt werden und so das gleiche Luftvolumen beproben. Wegen der chromatischen Abbera- tion der Parallelisierungslinse weist jedoch die Strahlung der beiden Wellenlänge unterschiedliche Divergenz auf. Fü eine Quarzlinse der Brennweite 1000 mm beträg der Unterschied in den Brennweiten der beiden Wellenlänge 308 und 353 nm immerhin ca.

20 mm. Um diesen Effekt zu reduzieren, wurde im Winter 1997198 die Quarzlinse durch einen Achromaten von ebenfalls 1000 mm Brennweite ersetzt, der nur noch eine Brennweitendiffe- renz von 0,8 mm aufweist.

Aussende- und Empfangsoptik

Die Aussendeoptik lenkt die Laserpulse, die horizontal vom Laser emittiert werden, vertikal in die Atmosphäre Zusätzlic dient die Aussendeoptik der Strahlaufweitung, um die Divergenz der ausgesendeten Strahlen zu reduzieren. Die Aussendeoptik besteht deshalb aus einem Spiegelteleskop, das eine Strahlaufweitung um den Faktor 10 bewirkt. Die Divergenz des emittierten Laserstrahls verringert sich damit um eine Größenordnu und beträg im gün stigsten Fall etwa 0,2 mrad.

3 Messungen des stratosphärische Ozons: Das Ozon-Dial-Verfahren

Ein Cassegrainsches Spiegelteleskop bildet die Empfangsoptik, mit der die atmosphärische Ruckstreusignale in den Detektor fokussiert werden. Es setzt sich aus einem konkaven Pri- märspiege mit einer Brennweite von 2400 mm und einem konvexen Sekundärspiege zusam- men, der dazu dient, die effektive Brennweite des Teleskops auf 5000 mm zu vergrößer Die klassische Cassegrainsche Anordnung ist hier modifiziert, indem, ähnlic einem Newton- sehen Spiegelteleskop, ein ebener Faltspiegel die Ruckstreusignale senkrecht zur Teleskop- achse umlenkt. Das Gesichtsfeld des Teleskops wird durch eine Blende mit einem Durchmes- ser von 5 mm auf 1 mrad begrenzt.

Laserstrahlachse und Teleskopachse sind biaxial angeordnet, d. h. sie sind nicht identisch.

Man spricht in diesem Fall auch von einem bistatischen Lidar. Um einen vollständige Über lapp des Laserstrahls mit dem Teleskopgesichtsfeld zu erreichen, wird daher die Laserstrahl- achse gegen die Teleskopachse geneigt, indem der Aussendespiegel gekippt wird (siehe auch Abschnitt 3.3.2).

Detektor

Die Gesichtsfeldblende des Teleskops bildet den Eintritt in den Detektor. Dort wird das ruck- gestreute Licht zunächs durch einen dichroitischen Strahlteiler in die beiden Wellenlänge 308 und 353 nm zerlegt. Bevor die rückgestreut Strahlung der beiden Wellenlänge von geeigneten Photodetektoren nachgewiesen wird, werden deren Spektralbereiche noch durch Interferenzfilter weiter eingeengt.

Als Photodetektoren der sehr geringen stratosphärische Ruckstreuintensitäte eignen sich Photonenvervielfacher (Photomultiplier), die im Photonenzählmodu betrieben werden.

Außerde besitzen diese einen relativ große dynamischen Bereich von etwa 4 Größenor nungen, der notwenig ist, da in der Stratosphär ein sehr weiter dynamischer Bereich der Rückstreuintensität zu erwarten ist (siehe Abschnitt 3.1.2). Dabei muà aber gewährleiste sein, da sich die Photonenzählrat übe den gesamten dynamischen Bereich linear zur ein- gestreuten Intensitä verhält Nichtlinearitäte in den Photonenzählrate treten sowohl bei sehr hohen als auch bei sehr niedrigen Zählrate auf. Werden die Photodetektoren zu hohen Lichtintensitäte ausgesetzt, könne einzelne Photonen nicht mehr aufgelös werden, wor- aus eine zu geringe Photonenzählrat im Bereich hoher Ruckstreuintensitäte resultiert.

Zusätzlic fuhrt die Übersättigu der Photodetektoren zu sogenanntem signalinduziertem Rauschen, was sich darin äußer da die Zählrat nicht unmittelbar nach der Exposition auf den Wert der Dunkelzählrat des Detektors zurückkehrt sondern näherungsweis exponenti- ell abklingt. Infolgedessen werden im Bereich niedriger Ruckstreuintensitäte erhöht Photo- nenzählrate gemessen, die außerde höhenabhäng sind (fü ein ausführlich Diskussion der nichtlinearen Effekte der Photonenzählung siehe Steinbrecht

[I

9941).

Die hohen Ruckstreuintensitäte aus dem Nahbereich des Teleskops, die zur Übersteuerun der Photodetektoren führe wurden, müsse demnach unbedingt vermieden werden. Dies

wird durch den sogenannten Chopper realisiert, ein schnell rotierendes Flügelrad das sich am Eintritt in den Detektor hinter der Gesichtsfeldblende befindet und die hohen Rückstreu signale aus den unteren Höhe abblockt. Die Rotationsfrequenz des Choppers, die Repeti- tionsrate des Lasers und der Zeitpunkt der Laserfeuerung sind so aufeinander abgestimmt, da der Laser gefeuert wird, währen der Chopper die Blendenöffnun blockiert, und der Chopper die Blende erst dann freigibt, wenn die Rückstreuun größe Höhe erreicht hat.

Zusätzlic sind auf beiden Wellenlänge im Strahlengang des Detektors Neutraldichtefilter eingebaut, mit denen die Signalintensitäte weiter reduziert werden können

Datenaufnahmesystem

Die einzelnen Komponenten des Datenaufnahmesystems sind der Verstärker der Diskrimi- nator und der Vielkanalzähler Damit werden die Photomultipliersignale jeder Wellenläng zunächs verstärk und anschließen in die Vielkanalzähle eingelesen, sofern sie die Diskri- minatorschwelle überschreiten Schließlic speichert das Datenaufnahmesystem die Zählra ten periodisch ab.

Die Datenaufnahme wird durch eine speziell hierfü entwickelte Software von einem PC aus gesteuert. Die Software erlaubt insbesondere auch die Wahl der Höhen und Zeitauflösung in der die Rückstreusignal abgespeichert werden, wobei sich die Höhenauflösu aus der Zähleradditionszei der Vielkanalzähle und die Zeitauflösun aus der Anzahl der summierten Laserpulse ergibt.

3.3.2 Meßbare Hohenbereich

Abgesehen von den Photodetektoren, die den meßbare Höhenbereic aufgrund ihres dyna- mischen Bereichs limitieren, gibt es weitere Faktoren, die die Reichweite des Ozon-Dial- Systems effektiv begrenzen. Bei der Herleitung der Ozon-Dial-Gleichung in Abschnitt 3.2.2 wurde die zusätzlich Annahme gemacht, da sich im gemessenen Höhenbereic das Gesichtsfeld von Teleskop und die Laserstrahlen auf beiden Wellenlänge vollständi über lappen (Gleichung 3.7). Der Überlap von Teleskopgesichtsfeld und Laserstrahl ist einer der drei Faktoren, die den sogenannten geometrischen Formfaktor eines jeden Lidar-Systems charakterisieren. Die beiden weiteren Faktoren sind zum einen Abschatteffekte, die durch die Spiegelaufhängun des Teleskops oder durch zusätzlich Blenden im Strahlengang hervor- gerufen werden, und zum anderen die sogenannte geometrische Kompression. Diese besteht darin, da der Nahbereich aufgrund der endlichen Tiefenschärf nur unscharf abge- bildet wird, da das Teleskop auf unendlich fokussiert wird. Alle drei Faktoren gehen also auf die geometrische Optik des Lidar-Systems zurüc und sind höhenabhängi Sie bewirken höhenabhängi Verluste an Signalintensität die zu einer Abweichung vom z-*-verhalten der delektierten Intensitä führe (Gleichung 3.2) und somit den meßbare Höhenbereic des Lidar-Systems bestimmen [Measures, 19841.

3 Messungen des stratosphärische Ozons: Das Ozon-Dial-Verfahren

Die geometrische Kompression spielt fü Stratosphärenmessunge keine Rolle, da sie aus- schließlic den Nahbereich betrifft. Ferner wirken sich Überlappfunktio und Abschatteffekte speziell bei Dial-Messungen aufgrund des doppelt differentiellen Prinzips der Dial-Methode nur dann aus, wenn sich die geometrischen Formfaktoren der beiden Wellenlänge vonein- ander unterscheiden. Um Abweichungen zwischen den geometrischen Formfaktoren zu reduzieren, wird beim Aufbau von Sende- und Empfangs- bzw. Detektionsoptik, wie i m vori- gen Abschnitt beschrieben, folgendes berücksichtigt

Abschatteffekte durch zusätzlich Blenden, die sich auf die beiden Wellenlänge unter- schiedlich auswirken, werden dadurch minimiert, da die optischen Wege im Detektor fü beide Wellenlänge nahezu gleich lang sind und sich eine möglichs gleiche Anzahl von Opti- ken in beiden Strahlengänge befinden.

Um höhenabhängi Unterschiede in den Überlappfunktione der beiden Wellenlänge zu reduzieren, werden diese kollinear ausgesandt. Zusätzlic wurde im Winter 1997198 die Quarzlinse durch eine achromatische Linse ersetzt, die die chromatische Abberation erheb- lich verringert.

Die Überlappfunktio eines biaxialen Lidars im speziellen ist wiederum abhängi vom Gesichtsfeld des Teleskops, von der Laserdivergenz, vom Abstand zwischen Teleskop- und Laserstrahlachse sowie vom Inklinationswinkel des Laserstrahls. Um einen vollständige Überlap übe einen möglichs weiten Höhenbereic zu erreichen, wird bei der Wahl der genannten Größ folgendes beachtet:

Das Teleskopgesichtsfeld muà größ sein als die Laserdivergenz. Wie im vorigen Abschnitt erwähnt wird seit dem Winter 1998199 eine Blendenöffnun von 5 mm verwendet, was einem Gesichtsfeld des Teleskops von 1 mrad entspricht. Die Blendenöffnun betrug in den Jahren zuvor 4 mm und das Gesichtsfeld damit 0,8 mrad. Dagegen ist die Laserdiver- genz auf keinen Fall kleiner als 0,2 mrad, aber auf jeden Fall kleiner als 1 mrad.

Der Abstand zwischen Teleskop- und Laserstrahlachse muà möglichs gering sein. Er beträg beim derzeitigen Aufbau rund 1 m.

Der Inklinationswinkel des Laserstrahls muà ebenfalls möglichs klein sein. Im Gegensatz zu den drei oben genannten Größ ist der Neigungswinkel die einzige Größ die mit jeder Messung neu eingestellt wird, da sie z. B. sehr empfindlich gegenübe Temperaturschwan- kungen ist. Die Verkippung des Aussendespiegels wird mit Hilfe von Motoren justiert.

Prinzipiell bestimmt das Zusammenspiel dieser vier Größ die Überlapphöh das ist die Höhe oberhalb derer Teleskopgesichtsfeld und Laserstrahl vollständi überlappen Diese Überlapphö wurde im Winter 1998199 anhand einer Reihe von Testmessungen empirisch

ermittelt. Hierbei wurden fü einen gegebenen Blendendurchmesser die Rückstreuintensità ten der beiden Wellenlänge in Abhängigkei vom Inklinationswinkel des Laserstrahls gemes- sen. Dabei ergab sich, da mit einem Blendendurchmesser von 5 mm, d. h. einem Gesichts- feld von 1 mrad, ein vollständige Überlap auf beiden Wellenlänge oberhalb von Ca. 12 km erreicht wird.

Im Dokument Messung und Charakterisierung laminarer Ozonstrukturen in der polarer Stratosphär Observation and Characterization of laminated ozone structures in the polar stratosphere Petra Wahl (Seite 64-69)