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Esselborn, Michael (2008): Lidar-Messung der Extinktion des atmosphärischen Aerosols am Beispiel der Feldstudie SAMUM-1. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein spektral hochauflösendes Lidar (HSRL) aufgebaut und während des Feldexperiments SAMUM im Mai/Juni 2006 und im Januar/Februar 2008 an Bord des Forschungsflugzeugs Falcon betrieben. Die Intensität von Lidar–Signalen wird maßgeblich durch die Rückstreuung und die Extinktion der atmosphärischen Teilchen beeinflusst. Dabei stehen die Rückstreuung und die Extinktion der Aerosole in keinem konstanten Verhältnis zueinander. Die Messgröße eines normalen Rückstreu–Lidars ist insofern mit zwei unbekannten Größen behaftet, weshalb die direkte Messung der Aerosolextinktion mit einem solchen Lidar nicht möglich ist. Im Gegensatz dazu wird bei der Methode des HSRL neben der gesamten atmosphärischen Rückstreuung der Teil der molekularen Rückstreuung gesondert gemessen. Die Messung des molekularen Rückstreusignals wird durch die spektrale Filterung der atmosphärischen Rückstreuung mit einem schmalbandigen optischen Filter ermöglicht. Durch den Vergleich des gemessenen molekularen Signals mit dem zu erwartenden kann die Aerosolextinktion direkt bestimmt werden. Zum Aufbau des Instruments wurde eine Joddampfabsorptionszelle konstruiert und in das Empfangsmodul des bestehenden flugzeuggetragenen Lidars des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt integriert. Außerdem wurde der Lasertransmitter des Lidars mit einem neuartigen Verfahren der opto–akustischen Modulation frequenzstabilisiert. Während SAMUM–1 wurden damit erstmalig die optischen Eigenschaften des reinen Saharastaubaerosols, insbesondere dessen Extinktion, das Verhältnis von Extinktion und Rückstreuung sowie die Depolarisation, in der Nähe seiner Quellgebiete untersucht. Die Messungen des neuen HSRL wurden zur Qualitätssicherung mit Hilfe unabhängiger Instrumente validiert. Die Lidar–Verhältnis–Messungen wurden durch Trajektorienanalysen auf mögliche Abhängigkeiten von unterschiedlichen Quellgebieten untersucht. Die HSRL–Messungen der Aerosol–optischen Dicke wurden mit satellitengestützten Messungen verglichen. Südlich des Hohen Atlas Gebirges wurden Aerosol–optische Dicken von 0,50 bis 0,60 gemessen. Es zeigte sich eine ausgeprägte laterale Variabilität der Aerosol–optischen Dicke, die bei homogenen Schichten allein auf deren unterschiedliche Dicke zurückgeführt werden konnte. Die vertikalen Variationen des Lidar–Verhältnisses zwischen 38 sr und 50 sr wurden durch Trajektorienanalysen auf die Anströmung aus unterschiedlichen Quellgebieten zurückgeführt. Im Depolarisationsverhältnis wurden jedoch keine vertikale Variationen beobachtet, was auf eine einheitliche Teilchenform schließen lässt. Die Aerosoldepolarisation betrug in den Staubaerosolschichten 0,30 ± 0,02. Dies bestärkt die Annahme, dass das Lidar–Verhältnis in erster Linie durch die unterschiedliche chemische Zusammensetzung des Aerosols beeinflusst wird. Aufgrund der hohen natürlichen Variabilität erscheint die Angabe eines mittleren Wertes als nicht sinnvoll. Der Vergleich mit MISR–Messungen der Aerosol–optischen Dicke zeigte größtenteils Übereinstimmung innerhalb der Fehlergrenzen. Direkt über dem Hohen Atlas traten signifikante Abweichungen auf, die durch die sich stark ändernde Topographie erklärt werden können.