Laser-Fernerkundung der planetaren Grenzschicht

Abstract

Über der Erdoberfläche bildet sich durch vertikale Konvektionsbewegungen und Reibung der horizontal strömenden Luft eine zwischen hundert und wenigen tausend Meter hohe turbulente Schicht, die planetare Grenzschicht. Natürliche und anthropogene Beimengungen vom Boden vermischen sich hier mit der Luft, verändern sich durch chemische Reaktionen und physikalische Prozesse und breiten sich aus. Das führt z.B. zur photochemischen Bildung von Ozon und Aerosol. In der planetaren Grenzschicht befindet sich der überwiegende Teil der Biosphäre, sie ist der Lebensraum des Menschen und eine bedeutende Naturressource für Industrie und Landwirtschaft. Das starke Anwachsen der Erdbevölkerung, die zunehmende Industrialisierung und die Zerstörung von Ökosystemen haben dazu geführt, dass die Menschheit die Zusammensetzung der Erdatmosphäre verändert und damit Einfluss auf komplexe Prozesse wie das Klima nimmt. Mit der Verschmutzung der Luft wird die Gesundheit von Menschen, Tieren und Pflanzen geschädigt. Um die chemischen und physikalischen Prozesse in der planetaren Grenzschicht zu verstehen, sind dreidimensionale Messungen der chemischen Zusammensetzung und physikalischer Parameter, wie Temperatur, Aerosolgrößenverteilung oder Lichttransmission, notwendig. Laser- Fernerkundungsmethoden sind für diese Studien ideal geeignet, denn sie liefern Zeitreihen von ortsaufgelösten Messdaten, mit denen die komplizierten räumlichen und zeitlichen Strukturen untersucht werden können. Neben der Messgröße wird auch die Entfernung zwischen Messpunkt und Gerät durch Laufzeitmessung der verwendeten kurzen Lichtpulse bestimmt. Das Messsignal wird gleichzeitig durch Wechselwirkungen der Laserstrahlung mit den Molekülen der Luft und den Partikeln des Aerosols beeinflusst. Die vergleichsweise starke Verschmutzung und die inhomogene Verteilung verschiedenster Beimengungen in der planetaren Grenzschicht bergen die Gefahr von systematischen Fehlern bei der Auswertung der spektroskopischen Messung. Die hier vorgestellte Arbeit befasst sich mit den Besonderheiten der Laser- Fernerkundung der planetaren Grenzschicht und der Anwendung der Daten. Am Anfang werden für das Messverfahren wichtigen Eigenschaften der Atmosphäre und ein Modell zur Simulation von Chemie und Ausbreitung von Luftschadstoffen diskutiert. Nach der Vorstellung der verwendeten Modelle der Lichtstreuung an Molekülen und Aerosolen werden im Anschluss die angewandten Laser- Fernerkundungsmethoden und die Auswertungsalgorithmen erläutert. Die Messungen für diese Arbeit wurden mit der Lidar-Station "Charité" im Zentrum Berlins und einem eigens für Grenzschichtmessungen entwickelten Gerät durchgeführt. Am Aufbau und Betrieb der Messstation war ich maßgeblich beteiligt. Das kombinierte Aerosol-Ozon-Wasserdampf-Lidar mit hoher Laser-Wiederholrate habe ich entwickelt. Des Weiteren wird in der Arbeit eine Methode zur kalibrationsfreien Temperaturmessung vorgestellt, die geeignet ist, bereits vorhandene Aerosol-Lidar nachzurüsten.

The planetary boundary layer is the lowest and strongest polluted part of the atmosphere. It is turbulent due to friction of the horizontally moving air at the ground and vertical convective flow, resulting in a good mixing at day time and the formation of stable layers during night of natural and anthropogenic gases and particles emitted at the earth surface and their chemical reaction products. Furthermore it hosts most of the biosphere, it is the anthroposphere and an important resource for industry and agriculture. The growing global population and urbanization, rapid industrialization, and destruction of natural ecosystems of our planet have raised serious concerns about the impact of human activities on the chemical composition and physical properties of the whole atmosphere and the planetary boundary layer in particular, with consequences for global climate, human health, and ecosystems. This gives reason to pursue studies of the chemistry, dispersion and radiative transfer. Laser remote sensing methods, often referred as Lidar (light detection and ranging), are ideally suited to observe the highly temporal and spatial structured gas concentrations and physical properties of the planetary boundary layer. Besides the measured quantity the range is determined by the transit time of the short Laser pulses. The intention of the presented thesis is to develop methods avoiding systematic errors in the spectroscopic evaluation, due to superposition of scattering and absorption effects of gases, aerosol and clouds, fast changes in the backscatter intensity and strong concentration gradients and to apply the measured data for chemical and meteorological analysis. The first part of the thesis summarises the properties of the planetary boundary layer, as far as they are relevant to the applied measurement methods and it describes a chemistry and dispersion model for the Berlin/Brandenburg region whose results are compared to measurements later on. Below the developed models for molecular and aerosol scattering and the inversion algorithms for trace gas concentration, aerosol and temperature measurements are explained in detail. The third part is dedicated to the description of the developed and used instruments, as there are the Lidar station "Charité" in the city centre of Berlin and a mobile high repetition rate Ozone, water vapour, aerosol Lidar. The latter uses the Raman- DIAL method for Ozone measurements, avoiding completely the dangerous backscatter error even at strong gradients of aerosol layers. Furthermore a new calibration free temperature Lidar method is presented, which is ideally suited to complement existing aerosol Lidar. Last but not least measured data is presented with interpretations and model comparison. Most of the measurements were done during the Berlin Ozone Experiment (BERLIOZ) in 1998 and the intercomparison campaign for the investigation of aerosol errors on Ozone LIDAR (OLAK) in 1999.