In Tabelle 1.1 sind die wichtigsten Parameter noch einmal der besseren Über-sicht halber zusammengestellt (IPCC1995 [61]). Neu aufgenommen wurde das GWP der Spurengase. GWP bezeichnet das global warming potential (Treib-hauspotential) eines Spurengases, hier für einen Zeithorizont von 100 Jahren. Es ist ein Maß für die Klimawirkung (cumulative radiative forcing) einer emittier-ten Einheitsmasse des entsprechenden Gases relativ zur Klimawirkung von CO2, berechnet unter Berücksichtigung der Lebensdauer der Treibhausgase. Um den gesamten Klimaeffekt abzuschätzen, müssen diese Werte noch mit der Menge des emittierten Gases multipliziert werden. Die Unsicherheit der GWP liegt typischer-weise bei 35%. Sie können benutzt werden, um den Effekt der Reduktion eines Treibhausgases mit der Reduktion der CO2-Emissionen vergleichen zu können.
CO2 CH4 CO N2O H2O Troposphär. 50-200 12 einige Monate 120
Lebensd. [Jahre] (Abklingz.)
Vorindustrielle 280 0,7 0,275
Konz. [ppm]
Derzeitige Konz. 358 1,72 0,03-0,2 0,312 1-26 103
(1994) [ppm] (variab.) (variab.)
Gesamtmenge 750 GtC 5 3
d. Atmos. GtCH4 GtN2O
Anthrop. Emiss. 7 GtC 0,375 3-8
[Jahr 1] GtCH4 MtN
Anstieg [%/Jahr] 0,4 0,6 -2 ppb/Jahr 0,25
DRF [W/m2] 1,56 0,47 0,14
GWP (100 Jahre) 1 (per Def.) 21 310
Tabelle 1.1: Übersicht über die hier diskutierten Spurengase. DRF bedeutet direct radiative forcing, GWP bezeichnet das global warming potential. Nach Novelli et al. 1999 [96].
Kapitel 2
Das Satellitenspektrometer SCIAMACHY
2.1 Überblick
DasSCIAMACHY -Instrument (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY) ist ein Spektrometer, welches als wissenschaftliche Nutzlast für den europäischen Erdfernerkundungs-SatellitenENVISAT-1 der eu-ropäischen RaumfahrtagenturESA vorgesehen ist. ENVISAT-1 wird voraussicht-lich Mitte des Jahres 2001 mittels einer Ariane-5 Rakete in eine polare sonnen-synchrone Umlaufbahn gebracht werden1. Die nominelle Lebensdauer von SCIAMACHY ist 5 Jahre.
SCIAMACHY geht auf eine Idee von Prof. Dr. J. P. Burrows zurück (Burrows et al. 1988 [18]). J. P. Burrows ist auch der wissenschaftliche Leiter (Principal Investigator (PI )) von SCIAMACHY. SCIAMACHY ist ein sogenanntes AO (Anouncement of Opportunity) Instrument, d.h. kein von der ESA selbst ent-wickeltes Instrument, sondern eine national entwickelte Nutzlast; hier der Länder Deutschland, Niederlande und Belgien. Die Raumfahrtagenturen von Deutschland und den Niederlanden stellen das Management für das SCIAMACHY -Projekt.
Gebaut wirdSCIAMACHY von einem Industrieverbund unter Leitung der Dor-nier Satellitensysteme GmbH, Friedrichshafen, auf der deutschen sowie Fokker Space, Leiden, auf der niederländischen Seite. Die Raumfahrtagenturen werden wissenschaftlich von der SCIAMACHY Science Advisory Group (SSAG ) und ihren Untergremien für „Daten und Algorithmen“, „Kalibration“ und „Validation“
1Orbitparameter: Inklination 98,55 (der Nordpol befindet sich 8,55 rechts der Flugrichtung beim Flug von der Nacht auf die Tagseite), Bahnperiode 100,59 Minuten, Höhe etwa 800 km, Orbitgeschwindigkeit etwa 7 km/s, Äquatorüberflug (von Nord nach Süd) 10:00 Uhr lokale Zeit, ground track repeatcycle: 35 Tage.
beraten, in denen auch das Institut für Fernerkundung/Umweltphysik (IFE /IUP ) der Universität Bremen eine wichtige Rolle spielt.
SCIAMACHY soll die vom System Erdatmosphäre-Erdoberfläche zurückgetreu-te bzw. reflektierzurückgetreu-te Sonnenstrahlung im Spektralbereich 240-2380 nm mit relativ hoher spektraler Auflösung (0,2-1,7 nm) messen. Des Weiteren werden Spek-tren aufgenommen, bei denen direkt die Sonne und der Mond - mit und ohne Erdatmosphäre im Lichtweg - beobachtet werden (Transmissionsspektren).
SCIAMACHY wird in drei prinzipiell verschiedenen Beobachtungsmodi betrie-ben werden (siehe auch Abbildung 2.1):
Im Nadir-Modus wird das rückgestreute Sonnenlicht detektiert, welches die Atmosphäre nahezu direkt unterhalb des Satelliten in Richtung SCIAMA-CHY verlässt (Vertikalsondierung der Atmosphäre).
Im Limb-Modus wird das oberhalb des Horizonts in Richtung Instrument gestreute Licht als Funktion der Höhe über der Erdoberfläche (Tangenten-höhe) gemessen (Horizontalsondierung).
Im Okkultations-Modus werden Sonnen- bzw. Mondaufgänge direkt durch die Atmosphäre verfolgt (ebenfalls Horizontalsondierung), einschließlich direkter extraterrestrischer Sonnen- und Mondbeobachtungen zur Messung von Referenzspektren frei von atmosphärischen Einflüssen.2Die Beobach-tungs-Geometrie ist hier ähnlich wie bei der Limb-Messung.
Aus diesen Streulicht- und Transmissionsspektren lassen sich mittels geeigneter Inversionsverfahren - je nach Informationsgehalt der Messung - vertikal aufgelö-ste Konzentrationsprofile einer Vielzahl atmosphärenchemisch und -physikalisch relevanter Spurengasen ableiten oder nur die Gesamtsäulen, also die über die Höhe integrierten Profile. Voraussetzung hierfür ist, dass diese Gase hinreichend starke und charakteristische Absorptionsstrukturen im vomSCIAMACHY -Spektrometer erfassten Spektralbereich zeigen. Dies sind im Wesentlichen die Gase O2, O3, (O2)2 (auch als O4 bezeichnet), NO2, NO3, N2O, BrO, SO2, OClO, ClO, H2CO, CO, CO2, CH4, H2O (siehe auch Abbildung 2.2). Die Spurengase NO und O2(1∆g), in Abbildung 2.2 als O2bezeichnet, emittieren Strahlung im Spektralbereich von SCIAMACHY im Gegensatz zur Strahlungs-Absorption der anderen Spurengase.
NO emittiert Strahlung in mehreren kleineren Spektralbereichen zwischen 240 nm und 300 nm (NOγ-Banden Übergänge im Bereich 200-300 nm). O2(1∆g) emit-tiert Strahlung im Bereich um 1265 nm. Diese und andere (meist recht schwache) nicht-thermischen Emissionen (airglow) werden in dieser Arbeit vernachlässigt.
Des Weiteren können Druck- und Temperaturinformationen gewonnen werden (über die Absorptionen der gut gemischten Gase O2 und CO2 sowie über die
2Die Messung von Sonnen-Referenzspektren für die Nadir- und Limbmessungen werden mittels des internen Diffusors durchgeführt.
2.1 Überblick 33
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Abbildung 2.1: SCIAMACHY Beobachtungsgeometrien: Nadir (oben), Limb (Mitte) und Sonnenokultation (unten). (Abbildung: S. Noël,IFE/IUP).
Menge Rayleigh-gestreuten Lichts im Limb-Modus), Wolkenparameter wie Wol-kenbedeckung, Wolkenhöhe, optische Dicke und Wolkentyp, Aerosolparameter wie optische Dicke und Typ, sowie die spektralen Reflektionseigenschaften der Erdoberfläche (siehe hierzu Bovensmann et al. 1999 [11] und dortige Referenzen).
Die mittels radiometrischer und spektraler Kalibration aus den Rohdaten gewon-nenen Radianz- und Transmissions-Spektren sind auch von eigenständigem wis-senschaftlichen Interesse. So können die Erdradianz-Spektren interessant sein für Strahlungsbilanz-Untersuchungen im Zusammenhang mit der Klimaproblematik (z.B. zur Untersuchung von Wolkeneffekten). Mittels der Sonnenspektren können Erkenntnisse über die solare Aktivität und deren Variabilität gewonnen werden (Weber et al. 1998 [139]). Aus den Mond- und Sonnen-Spektren lässt sich die
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Abbildung 2.2: VomSCIAMACHY-Instrument zu erwartende Datenprodukte at-mosphärischer Parameter und der ihnen zugeordnete Höhenbereich (Abbildung:
S. Noël,IFE/IUP).
spektrale Reflektionsfunktion der Mondoberfläche ableiten (Dobber et al. 1998 [32]).
Die Limb- und die Nadir-Messungen sind so auf einander abgestimmt, dass eine Luftsäule, welche im Limb-Modus ausgemessen wurde, einige Minuten später noch einmal im Nadir-Modus ausgemessen wird (siehe Abbildung 2.3). Dies er-laubt die Ableitung rein tropophärischer Informationen. Ein Ansatz hierzu wäre die Subtraktion der mittels Limb-Messung bestimmten stratosphärischen und me-sosphärischen Vertikalsäulen von der mittels Nadir-Messung bestimmten Gesamt-Vertikalsäule. Alternativ können beide Messungen auch simultan ausgewertet wer-den, wodurch sich sicherlich die Genauigkeit, z.B. im Bereich der unteren Stra-tosphäre und der oberen Troposphäre, verbessern lässt. Es gibt relativ wenige Satelliten-Instrumenten, die Informationen über die Troposphäre liefern können.
Diese Fähigkeit zeichnetSCIAMACHY aus und macht dieses Instrument wissen-schaftlich besonders interessant.
Im Rahmen dieser Arbeit wird nur eine relativ grobe Übersicht über SCIAMA-CHY gegeben. Näheres zum SCIAMASCIAMA-CHY -Instrument, den wissenschaftlichen Zielen, Aspekten der Missionplanung und der Kalibration, den Datenprodukten und den derzeit abgeschätzten Retrieval-Genauigkeiten, insbesondere der nicht in dieser Arbeit behandelte Gase, kann z.B. Bovensmann et al. 1999 [11] und Burrows et al. 1999 [20] entnommen werden.