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Schmitt, Jenca (2003): Aufbau und Erprobung eines in-situ NO/NOy-Mess-Systems am Höhenforschungsflugzeug M55-Geophysica. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The fully automated in-situ measuring system SIOUX (StratospherIc Observation Unit for nitrogen oXides) has been developed and established under flight conditions. SIOUX is a two channel measuring device designed for the high-altitude research aircraft M55-Geophysica to record reactive nitrogen oxides in the upper troposphere and the lower stratosphere. Channel A detects nitric oxide (NO) and channel B the total reactive nitrogen (NOy), which is reduced to NO on the surface of a heated gold-converter in conjunction with carbon monoxide (CO) as reducing agent. The technique used for the measurement of NO is chemiluminescence. The detection limit of channel A is 6 pmol/mol and of channel B 10 pmol/mol for an integration time of 1 s. The main components of SIOUX are the sample inlet, the detector incorporating the reaction chambers, photomultipliers and ozone generators, the converter, a pumping system, a calibration/operation gas system and the data recording unit. Except for the sample inlet all components are housed in a pressurised aluminium container. This has a length of 1.1 m, a diameter of 0.6 m and a total mass of 250 kg; the maximum power consumption of SIOUX is 1300 W. For aeronautical compliance four test procedures were required to guarantee the flight compatibility of the mechanics and electronics of the device: shock/vibration/EMC (ElectroMagnetic Compatibility)/pressure test. In October 2001 SIOUX was implemented for the first time aboard the M55-Geophysica during a test campaign in Russia. There, the measuring system was monitored under flight conditions and its operation was established for stratospheric conditions. Mixing ratios for NO and NOy were registered up to an altitude of 20 km. In July 2002 SIOUX was used aboard the M55-Geophysica for validation the ENVISAT instrument MIPAS-E in Italy. A comparison was made for the first time between MIPAS-E measurements of nitric acid (HNO3) and SIOUX measurements of NOy-NOx (≈ HNO3 in the altitude range 17 - 20 km). A mean deviation of 20% ± 6% between the MIPAS-E and the SIOUX data was registered.

Abstract

Das vollautomatische in-situ Mess-System SIOUX (StratospherIc Observation Unit for nitrogen oXides) wurde aufgebaut und unter atmosphärischen Bedingungen getestet. SIOUX ist ein Zweikanalmessgerät und kommt am Höhenforschungsflugzeug M55-Geophysica zur Messung reaktiver Stickstoffverbindungen in der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre zum Einsatz. In Kanal A wird Stickstoffmonoxid (NO) und in Kanal B die Summe der reaktiven Stickstoffverbindungen (NOy) gemessen. Diese werden dazu an der beheizten Goldoberfläche eines Konverters unter Zugabe des Reduktionsmittels Kohlenmonoxid (CO) zu NO reduziert. Die Messung des NO erfolgt mittels Chemilumineszenz. Die Nachweisgrenze der Detektoren beträgt 6 pmol/mol für Kanal A und 10 pmol/mol für Kanal B bei einer Integrationszeit von 1 s. Die wichtigsten Einheiten des Mess-Systems sind der Einlass, der Detektor mit den Reaktionskammern, Photomultipliern und Ozongeneratoren, der Konverter, ein Pumpensystem, eine Gasversorgungseinheit und die Datenerfassung. Bis auf den Einlass sind sämtliche Komponenten in einem Drucktank aus Aluminium untergebracht. Dieser hat eine Länge von 1.1 m, einen Durchmesser von 0.6 m und eine Gesamtmasse von 250 kg; die maximale Leistungsaufnahme von SIOUX beträgt 1300 Watt. Vier verschiedene Flugverträglichkeitstests wurden bei der luftfahrttechnischen Zulassung durchgeführt, um die Mechanik und die Elektronik des Mess-Systems auf seine Flugtauglichkeit hin zu überprüfen: Schock-, Vibrations-, EMV- (ElektroMagnetische Verträglichkeit) und Drucktest. Während einer Testkampagne in Russland im Oktober 2001 kam SIOUX erstmals an Bord der M55-Geophysica zum Einsatz. Ziel der Kampagne war es, das Mess-System im Flug zu erproben und den Betrieb unter stratosphärischen Bedingungen zu optimieren. Dabei wurden die Erwartungen an das Gerät erfüllt; NO- und NOy-Mischungsverhältnisse bis in 20 km Höhe konnten aufgezeichnet werden. Im Juli 2002 in Italien erfolgte der Einsatz von SIOUX auf der M55-Geophysica zur Validierung des ENVISAT-Instruments MIPAS-E. Ein erster Vergleich zwischen dem mit MIPAS-E gemessenen Salpetersäure-Mischungsverhältnis (HNO3) und dem mit SIOUX gemessenen NOy-NOx (≈ HNO3 in 17 - 20 km Höhe) zeigte für beide Messtechniken eine Übereinstimmung innerhalb 20% ± 6%.