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Generell bestimmt gometran das diffuse Strahlungsfeld, also für alle
Höhenschichten sowie Raumwinkel. Für eine ausgewählte Geometrie
wird die direkte Strahlung zur diffusen addiert. Licht, welches am
Oberrand der Atmosphäre eindringt, kann gemäß der formalen Lösung
der STG (beliebiger Ordnung) durch Absorption und Streuung aus der
Blickrichtung des fiktiven Beobachters entfernt werden. Quellen der
Strahlung entlang der Blickrichtung stellen wiederum Einfach- und
Mehrfachstreuung bzw. LAMBERT'sche Bodenreflektion dar.
Die wesentlichen Charakteristika von gometran sind im Einzelnen aufgelistet.
Polarisation: Die Polarisation des
Lichts wird nicht berücksichtigt. Das heißt, daß nicht die vier
Einzelkomponenten des STOKES-Vektors für jeden Streuprozeß
berücksichtigt werden, sondern nur das arithmetische Mittel der
(inkohärenten) Intensitäten der beiden Schwingungsebenen. Der Grund
für diese Beschränkung ist in erster Linie durch die Vervielfachung der
Rechenzeit bei Berücksichtigung des STOKES-Vektors und der mit dem
Streuprozeß verbundenen MüLLER Matrix gegeben. Durch die Annahme des
rein unpolarisierten Strahlungstransports induzierte Fehler sind für
einen relativ großen Wellenlängenbereich durch Haan et al. (1987)
untersucht worden. Sie ermittelten keine nennenswerten Differenzen
unterhalb von 290 nm und oberhalb von 350 nm. In den HARTLEY-HUGGINS Banden
betrugen die Differenzen allerdings bis zu 5%. Für diese Arbeit
spielen diese Differenzen keine Rolle, da sie spektral
breitbandig sind und somit in den folgenden Untersuchungen durch ein
Polynom kompensiert werden.
Weiterhin wird die Depolarisation der RAYLEIGH
Streuung durch die Anisotropie der Polarisierbarkeit der streuenden
Moleküle (siehe Abschnitt 3 und Anhang B)
berücksichtigt. Sie gibt die zusätzliche Intensität gegenüber
isotroper Streuung an.
Pseudo-sphärische Approximation und Refraktion: In
nicht-brechenden plan-parallelen Atmosphären legen alle direkten
Sonnenstrahlen die gleiche Strecke zurück. Sie sind für diesen Fall
nicht unterscheidbar. Für große Sonnenzenitwinkel (
,vergleiche z.B. mit Eichmann (1995)) muß allerdings die Krümmung
der Erdatmosphäre in die Berechnungen der Radianz eingehen. Die
lokalen Zenitwinkel hängen nun vom Ort des einfallenden Lichts ab. In
einer realen Atmosphäre muß weiterhin bei ausreichend großen
Sonnenzenitwinkel die Refraktion durch Dichteunterschiede der
einzelnen Höhenschichten berücksichtigt werden. Sowohl die
Sphärizität der Atmosphäre als auch die
Refraktion werden für die einfachgestreute
Strahlungskomponente, die nicht am Boden reflektiert wurde,
einbezogen. Da die Berücksichtigung beider Probleme aus
Rechenzeitgründen nicht für das gesamte Strahlungsfeld (also auch
für die Mehrfachstreuung sowie die vom Boden reflektierte
Komponente) durchgeführt wurde, nennt man den Ansatz auch
pseudo-sphärische
Approximation mit Refraktion. Hinreichend große Genauigkeit hat
dieses Verfahren bis zu Sonnenzenitwinkeln von etwa 
.
Gasabsorption: Die Absorption elektromagnetischer
Strahlung ist über den
Absorptionskoeffizienten, bzw.
Querschnitt eine zum Teil wesentliche Einflußgröße im
Strahlungstransport auf die zu ermittelnde Radianz. Die
Absorptionsquerschnitte vieler Gase im GOME Wellenlängenbereich haben
charakteristische Spektralstrukturen, welche vergleichbar mit der
spektralen Auflösung des Instrumentes sind. Die
Absorptionskoeffizienten bzw. Absorptionsquerschnitte werden daher
zur Identifikation und Bestimmung der atmosphärischen Gehalte
(Gesamtgehalt, aber auch Vertikalprofile) der Absorber herangezogen.
Es werden zwei verschiedene Typen von Absorptionsspektren (die
Dispersion des Absorptionsquerschnittes) unterschieden: (i) die
kontinuierlichen Spektren und (ii) die Linienspektren. Erstere
enthalten eine Vielzahl an Übergängen, die spektral nicht mehr
auflösbar sind. Ihre Absorption kann zwar stark sein, die
wellenlängenabhängigkeit der Absorption innerhalb der
instrumentellen Auflösung ist allerdings klein bis moderat. Anders
ist dies hingegen bei Linienabsorbern. Hier ändert sich der
Absorptionsquerschnitt um zum Teil mehrere Größenordnungen in
Spektralintervallen, die meist deutlich kleiner sind als die spektrale
Auflösung der Meßinstrumente. Linienabsorptionsspektren sind zum
Beispiel für O2 und H2O relevant und hängen häufig auch stark
von Druck und Temperatur ab (Buchwitz, 1998). In dieser Arbeit
sind Wellenlängenbereiche untersucht worden, in denen ausschließlich
Absorption des Typs (i) vorgelegen hat. Ferner wurden unter anderem
auch solche Wellenlängenbereiche untersucht, in denen die
Absorptionsspektren zum Teil ausgeprägte Temperaturabhängigkeit
aufweisen. Dies ist insbesondere für Ozon in den HARTLEY-HUGGINS Banden, aber
auch für NO2 im sichtbaren Wellenlängenbereich der Fall. In gometran
wird diese Abhängigkeit über Interpolation auf die Temperatur der
aktuellen Höhenschicht berücksichtigt. Die Interpolation ist
erforderlich, da die Spektren üblicherweise für ausgewählte
(realistische) Temperaturen bestimmt wurden.
In dieser Arbeit ist vorzugsweise mit dem Sonnenspektrum des GOME
gearbeitet worden. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft,
veröffentlichte Absorptionsspektren, die ebenfalls mit dem GOME-FM
(GOME Flight Model , das GOME Flugmodell)
Instrument gemessen wurden, zu benutzen, da die Spektren ähnlichen
(idealerweise, aber nicht notwendigerweise gleichen) instrumentellen
Einflüssen unterliegen. Hierzu gehört neben der spektralen
Auflösung und Abtastung auch die Sensitivität des Instrumentes
bezüglich der Polarisation, Temperatur, etc.
Klimatologie: Für die Bestimmung von Absorptions- und
Streukoeffizienten aus den Querschnitten werden neben den
Höhenprofilen für Druck und Temperatur auch die
Mischungsverhältnisse für die jeweiligen Absorber benötigt. Die
zonal bestimmten Monatsmittelwerte sowie mittlere Werte für
Aerosolstreu- und Absorptionsparameter bezeichnet man auch als
Klimatologie. Soweit nicht anders beschrieben sind
hier die Daten eines chemischen zweidimensionalen Atmosphärenmodells
(Brühl & Crutzen, 1992) des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPI) zum
Einsatz gekommen. Derzeit sind folgende Absorberprofile in gometran
implementiert: BrO, ClO, HCHO, SO2, NO2, NO3, OClO, O3,
O4. Aerosolspezifische Parameter sind durch die
Aerosolklimatologie des Strahlungstransportmodells LOWTRANVII
(Kneizys et al., 1986) berücksichtigt worden. In dieser Arbeit sind in
erster Linie feste Parameter zur Anwendung gekommen: Ein maritimes
Aerosol, mit einer Sichtweite von 23 km in der Grenzschicht und 50 km
in der freien Troposphäre. Eine deutlich flexiblere
Aerosolparameterisierung wurde durch Hoogen (1995) spezifisch für
den GOME Wellenlängenbereich entwickelt. Die resultierende
Datenbasis war für die verwendete gometran Version nicht verfügbar und
wurde daher nicht berücksichtigt.
Aerosolstreuung - Phasenfunktion: Wie bereits oben
erklärt sind die Streu- und Absorptionseigenschaften der Aerosole
durch die Klimatologie bestimmt. Zur vollständigen
Beschreibung fehlt die Winkelabhängigkeit der MIE gestreuten
Strahlung (in Abschnitt 3 sind die Winkelabhängigkeit
sowie der Streuquerschnitt für die beiden anderen in gometran
berücksichtigten Streuprozeße, RAYLEIGH Streuung und RRS,
beschrieben). Sie wird durch die Phasenfunktion beschrieben. Die
Phasenfunktion der MIE Streuung hat keine einfache analytische Form
wie etwa RAYLEIGH oder RAMAN Streuung. Als Approximation für
Streuprozeße mit starker räumlicher Vorwärtskomponente, wie die
MIE Streuung wurde die häufig verwendete
HENYEY-GREENSTEIN Phasenfunktion benutzt.
Mittels eines Anisotropiefaktors g läßt sich die Stärke der
Vorwärtsstreuung parametrisieren. Die HENYEY-GREENSTEIN Phasenfunktion hat
folgende Bauform (weitere Information in Abschnitt 9):
|  |
(1) |
Im Prinzip ist es möglich, die exakte MIE Phasenfunktion anstelle
der Approximation zu nutzen (Kurosu, 1997), allerdings ist
aufgrund ihrer großen angularen Variabilität die Einbeziehung einer
großen Anzahl von Stützstellen für die Quadratur nötig (siehe
Abschnitt E). Dies führt wiederum zu einer
signifikanten Zunahme der Rechenzeit.
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Marco Vountas