LEIBNIZ-INsTITUT FöUR ATMOsPHöARENPHYsIK e. V. an der ...

13 Untersuchungen der optischen Eigenschaften des troposphärischen
Aerosols mittels Raman-Lidar
(J. Schneider, R. Eixmann, M. Alpers)
Im Rahmen des BMBF-Förderschwerpunktes
” Aerosolforschung“ wurde zum 1. Oktober
1997 ein Lidarmessnetz ins Leben gerufen, das
aus den Stationen Kühlungsborn (IAP), Hamburg
(MPIM), Leipzig (IFT), München (LMU)
und Garmisch-Partenkirchen (IFU) besteht. Das
Messprogramm wurde am 1. Dezember 1997 begonnen.
Ziel dieses Netzes ist die Quantifizierung
der optischen (d.h. klimarelevanten) Partikeleigenschaften
(Extinktion, Rückstreuung), Bestimmung
der mikrophysikalischen Partikeleigenschaften
(Größenverteilung, Brechungsindex) sowie
die Untersuchung der raum-zeitlichen Verteilung
der Aerosole. Für die Erstellung eines klimatologischen
Datensatzes ist es wichtig, dass
die Stichprobennahme zufällig erfolgt und insbesondere
nicht mit bestimmten Wetterlagen korreliert.
Deshalb werden die Routinemessungen
im Lidarnetz zu festen Zeiten durchgeführt, unabhängig
von den atmosphärischen Bedingungen.
Abb. 13.1 Stationen des deutschen Lidarmessnetzes
und des EARLINET-Projekts.
Zusätzlich zu den Routinemessungen werden Untersuchungen zur Modifikation der Aerosoleigenschaften
beim Durchgang ausgedehnter Kaltfronten durchgeführt. Diese Messungen werden
bei Auftreten der entsprechenden Wetterlage ad hoc so koordiniert, dass die jeweils relevanten
Zeiträume nach Durchgang der Front erfasst werden. Weitere Untersuchungen betreffen
den Tagesgang der Aerosoleigenschaften bei unterschiedlichen meteorologischen Bedingungen
unter besonderer Berücksichtigung stabiler Hochdrucklagen mit geringer Bewölkung. Dieses
Messprogramm führte kurze Zeit später zur Initiierung eines EU-Projekts (EARLINET) mit
21 Messstationen, das am 1. Februar 2000 gestartet wurde und den Messbetrieb am 1. Mai 2000
aufgenommen hat. Abb. 13.1 zeigt die am EARLINET-Projekt beteiligten Stationen, die die 5
deutschen Lidarmessnetz-Stationen einschließen.
Das IAP betreibt ein drei-Wellenlängen RMR (Rayleigh/Mie/Raman)-Lidar (siehe Kapitel
2) zur Messung von Aerosolparametern im Höhenbereich zwischen 1 und 90 km (Alpers et
al., 1999). Zur Messung des Extinktionskoeffizienten wird am IAP, wie an den meisten anderen
Stationen der Lidarnetze, das Raman-Lidarverfahren benutzt. Hierbei nutzt man die inelastische
Raman-Streuung der einfallenden Photonen durch die Stickstoffmoleküle der Luft. Die Nd:YAG-
Wellenlängen 355 und 532 erzeugen Raman-Signale bei 387 bzw. bei 608 nm. Im Gegensatz zum
Rayleigh/Mie-Rückstreusignal, das von zwei unbekannten Aerosolparametern (Extinktion und
Rückstreuung) abhängt, hängt das Raman-Signal nur vom Extinktionskoeffizienten ab. Dieses
hat gegenüber dem konventionellen Rückstreulidar den Vorteil, dass der Extinktionskoeffizient
direkt und ohne weitreichende Voraussetzungen aus der Ableitung des Signals nach der Höhe
berechnet werden kann. Aufgrund des geringen Raman-Streuquerschnittes ist dieses Verfahren
allerdings auf die Nachtstunden beschränkt. Tagsüber wird daher das sogenannte Klett/Fernald-
Verfahren benutzt, welches nur die Berechnung des Rückstreukoeffizienten mit ausreichender
Genauigkeit erlaubt. Beispiele für Vertikalprofile von Extinktions- und Rückstreukoeffizienten
sind in Abb. 13.2 (a) und (b) gezeigt.
Um die Vergleichbarkeit der Messungen innerhalb des Lidarnetzes zu gewährleisten, wurde
sowohl ein Vergleich der Instrumente als auch der Auswertemethoden durchgeführt. Der In-