| Instrument |
Allgemeines
Das ASUR (Airborne SUbmillimeter Radiometer
[von König et al., 2000, Küllmann et al., 1999]) ist ein flugzeuggetragenes
Radiometer, das die thermische Emission von Spurengasen in der
Stratosphäre (in einem Höhenbereich zwischen 15 und 50 km)
mißt. Das Instrument detektiert die Strahlung in einem Frequenzbereich
zwischen 604,3 und 662,3 GHz. Dies entspricht einer Wellenlänge von ca.
0,45 bis 0,5 mm. In diesem Frequenzbereich absorbiert
atmosphärischer Wasserdampf eine großen Teil der Strahlung. Da sich
der größte Anteil des Wasserdampfes in der Troposphäre (in der Arktis bis
max. 8 km, in den Tropen bis max. 16 km Höhe) befindet,
wird das Instrument von einem Flugzeug aus
betrieben, das in einer Höhe von ca. 10 km fliegt, so daß ein Großteil
der Wasserdampfabsorption vermieden wird.
Das ASUR Instrument kan mit seiner augenblicklichen Konfiguration
Emissionslinien der Spurenstoffe HCl, Ozon, ClO, N2O,
HNO3, CH3Cl, H2O, BrO, HO2, HCN und
NO messen. Die horizontale Auflösung der Messungen beträgt zwischen
12 und 50 km und ist abhängig von der Stärke der Signale und
Fluggeschwindigkeit. Die vertikale Auflösung beträgt zwischen 6 und
10 km in der unteren Stratosphäre und ist durch das Meßverfahren und
die Auswertemethode beschränkt. Die maximale kontinuierliche Betriebszeit
des Instrumentes beträgt 10 bis 11 Stunden und wird durch den
Kühlmittelvorrat bestimmt (siehe Abschnitt Aufbau).
Die Hardware des ASUR Instrumentes [Whyborn et al., 1996, Mees et al., 1995]
wurde in Zusammenarbeit von
SRON,
Groningen (Space Research Organisation of the Netherlands) und dem
Institut für
Umweltphysik der Universität Bremen entwickelt und gebaut. Die
verwendeten Spektrometer AOS (Acousto-optisches Spektrometer) und CTS (Chirp-Transform
Spektrometer) wurden im Rahmen eines ESA/ESTEC Projektes vom
Observatoire de Meudon, Paris, bzw. der Deutschen Aerospace (heute: ASTRIUM) entwickelt.
Aufbau
Der Aufbau des ASUR Instruments ist schematisch in dem Blockdiagramm folgendem
zusammengefasst.
Die atmosphärischen Signale gelangen durch ein spezielles Fenster (aus
Polyethylen) in das Innere des Flugzeuges und zu einem drehbaren Spiegel.
Dieser Spiegel lenkt zum einen die atmosphärischen Signale und zum anderen
zwei Eichsignale für die Kalibration in das ASUR Instrument. Während
des normalen Meßbetriebes schaltet der Spiegel kontinuierlich zwischen
dem atmospärischen Signal und den beiden Eichsignalen hin und
her. Die Spiegelsteuerung ermöglicht ausserdem das Nachführen des Spiegels,
um für das Rollen des Flugzeuges (die Drehung um die Längsachse) zu korrigieren,
so daß die atmosphärischen Messungen immer unter dem selben Elevationswinkel erfolgen.
Hinter dem Spiegel werden die Signale in einen quasioptischen Aufbau eingekoppelt.
Hier werden unerwuenschte Frequenzen sowie Stehwellen herausgefiltert bzw.
weitestmöglich unterdrückt.
Desweiteren wird ein zusätzliches Signal (Lokaloszillator-Signal oder auch
LO-Signal) mit einer definierten Frequenz mit den ursprünglichen Signalen
überlagert. Am Ausgang des quasioptischen Aufbaus werden die Signale von
einem Dektor aufgefangen. In dem Detektor wird das Differenzsignal von LO- und
ursprünglichem Signal erzeugt (siehe Abbildung). Dieser Prozeß wird
als Mischen bezeichnet und bewirkt ein Umsetzten des ursprünglichen
Signals auf eine tiefere Frequenz ohne dass die spektrale Information verloren
geht.
Als Detekor wird eine supraleitende Diode verwendet, die sich in einem
Behälter (dem sogenannten Dewar) befindet, der mit flüssigem Helium
und flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Das flüssige Helium
besitzt eine Temperatur von ca. 4 Kelvin (ca. -269° C) und ermöglicht
so erst die Supraleitung. Der flüssige Sticktoff (ca. 77 Kelvin, -196°
C) wird als Wärmepuffer zu der normalen Raumtemperatur benötigt,
ebenso wie die evakuierten Bereiche zwischen den einzelnen Tanks innerhalb des
Dewar. Die supraleitende Diode ermöglicht einerseits die Detektion von
sehr schwachen Signalen und andererseits eine Verkürzung der
Meßzeit starker Signale, was wiederum zu einer höheren zeitlichen
Auflösung der Messungen führt.
Am Ausgang der Diode, also nach dem ersten Mischen haben die Signale eine
Frequenz von 11,4 GHz (+/-2,25 GHz). Sie werden in zwei weitere Schritten zu
den Eingangsfrequenzen der beiden Spektrometer von AOS: 2,3 GHz (+/-0,75 GHz)
bzw. CTS: 1,35 GHz (+/-0,09 GHz) heruntergemischt. Auf ihrem Weg von dem
Umlenkspiegel bis zu den Spektrometern haben die Signale eine Verstärkung
um ca. 80 dB (Faktor 108 = 100.000.000) erfahren. Innerhalb der
Spektrometer werden sie analysiert und digitalisiert, so daß die spektrale
Information mit einem Computer ausgelesen werden kann.
Als Ergebnis einer Messung werden somit Spektren der verschiedenen Spurenstoffe gewonnen,
deren weitere Auswertung im Abschnitt Retrievalmethode
beschrieben wird.
Referenzen:
Autor: 15/08/2002
Holger Bremer
Designer: 08/04/2002
Tianxun Ba
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