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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

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4 1 Fernerkundung der Atmosphäre Abb. 1.1: Mittlere Vertikalstruktur der Erdatmosphäre mit Temperatur-, Refraktivitäts- und Elektronendichteverteilung (nach [Syndergaard, 1999]). (Abb. 1.1). Die Grenzbereiche an den Oberseiten dieser Schichten zur jeweils darüberliegenden sind: Tropo-, Strato-, und Mesopause (altfranz.: „pose“ = „ruhen“, die Arbeit unterbrechen). Die in ihrer Gesamtheit als Wetter und Klima bezeichneten atmosphärischen Vorgänge spielen sich hauptsächlich in der Troposphäre ab. Die Temperatur nimmt innerhalb der Troposphäre nach oben im Mittel mit 0,65 K pro 100 m ab. Da diese Temperaturabnahme am Äquator höher (bis etwa 17 km) hinaufreicht, werden dort an der Tropopause wesentlich tiefere Temperaturen (bis zu –70°/80°C) als über den Polen (Sommer ca. −40°C, Winter ca. –60°C) gemessen. In der Troposphäre ist die Hauptmenge des atmosphärischen Wasserdampfes enthalten. Die Stratosphäre dagegen ist sehr trocken und enthält die Ozonschicht der Erde. Die Ozonschicht verursacht durch Strahlungsabsorption eine Temperaturzunahme in der Stratosphäre, wodurch an der Stratopause wieder Temperaturen um 0°C erreicht werden.

1.1 Struktur der Atmosphäre In der Mesosphäre (ca. 50-80 km Höhe) nimmt die Temperatur wieder stark ab, in 80 km Höhe wird dabei im Mittel etwa –90°C erreicht. In der darüber liegenden Thermosphäre kommt es dagegen wieder zu einer Temperaturzunahme. Ab einer Höhe von ca. 130 km zeigt sich hier, aufgrund der abnehmenden Wärmekapazität der Atmosphäre und des dominierenden Strahlungseinflusses, ein sehr großer Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht von bis zu einigen 100 K. Ein zweites Einteilungsschema orientiert sich an der Art der Durchmischung der Atmosphäre. Bis zu einer Höhe von 100 km (Homosphäre) ist das Neutralgas durch atmosphärische Turbulenz gut durchmischt, die Hauptkomponenten sind molekularer Stickstoff (ca. 78 Vol.%) und Sauerstoff (ca. 21 Vol.%). Zu größeren Höhen hin (Heterosphäre) nimmt die mittlere freie Weglänge der Moleküle zu (diffusiver Transport) und dominiert die turbulente Vermischung. Es bildet sich ein diffusiver Gleichgewichtszustand heraus, bei dem der Anteil leichterer Gase (z.B. atomarer Sauerstoff, Helium, Wasserstoff) im Vergleich zu schwereren Gasen (molekularer Stickstoff und Sauerstoff) nach oben hin zunimmt (z.B. [Bauer, S. J., 1997]). 1.1.2 Vertikaler Aufbau der Ionosphäre Auch im ionisierten Anteil der Atmosphäre existieren zwei Einteilungssysteme [Bauer, S. J., 1997; Kertz, 1989]. Eine Art der vertikalen Gliederung erfolgt nach dem Einfluss des Erdmagnetfeldes auf die ionisierten Bestandteile der Erdatmosphäre. Auf geladene Teilchen, die sich quer zum Magnetfeld bewegen, wirkt die Lorentzkraft. Bewegte Elektronen werden wegen ihrer geringeren Masse stärker von dieser Kraft beeinflusst als Ionen gleicher Geschwindigkeit. Bis in eine Höhe von 70 km ist die Ionisation noch so gering, dass der ionisierte Anteil einfach den Bewegungen des Neutralgas folgt, der Einfluss des Erdmagnetfeldes ist gering. Etwas höher (70-130 km, die Ionisation nimmt nach oben hin zu) werden die Elektronen bei ihren Bewegungen quer zum Magnetfeld behindert, die Ionen folgen aber noch völlig den Bewegungen des Neutralgases. Es entstehen elektrischen Felder, man spricht von der Dynamoschicht. Darüber, in der Magnetosphäre, ist die Dichte des Neutralgases soweit abgesunken, dass die Bewegungen aller ionisierten Teilchen im wesentlichen nur durch das Erdmagnetfeld gelenkt werden. Die Magnetosphäre erstreckt sich über mehrere Erdradien. Das zweite Einteilungssystem orientiert sich an der vertikalen Verteilung der Elektronendichte, die durch Überlagerung mehrerer, sogenannter Ionisationsschichten charakterisiert ist. Die Ausbildung der einzelnen Ionisationsschichten kommt durch ein Wechselspiel zwischen nach oben hin abnehmender Dichte des ionisierbaren Gases und der nach unten hin abnehmenden Stärke der ionisierenden Strahlung zustande. Die Ionenproduktionsrate ist dem Produkt aus diesen beiden Größen proportional und besitzt somit bei einer bestimmten Höhe ein Maximum. Da die Atmosphäre aus verschiedenen Gasen besteht, entstehen verschiedene Ionisationsschichten (D-, E-, und F-Schicht, siehe Abb. 1.1) in unterschiedlichen Höhenbereichen, zu deren Entstehung je nach vorherrschender Molekülart unterschiedliche Spektralbereiche der einfallenden Strahlung wirksam werden. 5

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