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Zusammenfassung und Ausblick


Die Auffüllung von solaren FRAUNHOFERlinien und Gasabsorptionslinien, der sogenannte RING Effekt, kann die Auswertung von Spurengasen im UV-VIS zum Teil signifikant beeinflussen. Diese Tatsache war eine wesentliche Motivation für diese Arbeit. Ein genaues Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse war eine Voraussetzung zur erfolgreichen Korrektur des Einflusses auf die Auswertung. Zu diesem Zweck sind in einer ausführlichen Literaturbeschreibung zunächst Arbeiten aufgeführt worden, die den Effekt allgemein beschreiben, aber auch die Modellierung anderer Forschungsgruppen wurde näher untersucht. Bereits nach Sichtung der Literatur erhärtete sich die Annahme, daß Rotations RAMAN Streuung (RRS) von Licht an den Luftmolekülen Sauerstoff und Stickstoff den Hauptbeitrag zum RING Effekt leistet.
Eine der zentralen Aufgaben dieser Arbeit war es, ein Strahlungstransportmodell (STM) weiterzuentwickeln, welches inelastische Streuung in Form von RRS berücksichtigt und damit spektrale RING Effekt Strukturen in der Auswertung kompensieren kann. Die Grundlage für ein solches STM ist die genaue Kenntnis der mikroskopischen Parameter von RRS. Daher ist zunächst die Beschreibung des mikroskopischen Modells durchgeführt worden. Hiernach ist basierend auf diesen Modellannahmen erstmals die Theorie des makroskopischen Strahlungstransports, mit RAYLEIGH- und RRS sowie MIE Streuung vorgestellt worden. Obwohl die resultierende Strahlungstransportgleichung (STG) prinzipiell an kein bestimmtes Lösungsschema gebunden ist, wurde im Anschluß eine iterative Methode zur Lösung der STG unter Einbeziehung von RRS angewendet. Diese Methode wurde in ein existierendes STM eingebunden, mit dem es nun möglich war, sogenannte RING Referenz Spektren zu bestimmen. Diese Spektren sind geeignet, in der Auswertung die Kompensation des RING Effektes vorzunehmen.
Für den Vergleich von Modell- und Experimentaldaten wurden verschiedene Gesichtspunkte der Messung von RING Referenz Spektren nach Solomon diskutiert. Da es sich bei der Messung solcher Spektren um einen semi-empirischen Ansatz handelt, gingen verschiedene Annahme in die Bestimmung ein. Die Auswirkungen der verschiedenen Annahmen für das gemessene Spektrum wurden auf Modellebene untersucht. Die Annahmen sind beispielsweise: Vernachlässigung von Mehrfach- und MIE-Streuung sowie ungenaue Annahmen bezüglich der Polarisationseigenschaften von RRS. Es zeigte sich, daß sie kritisch hinterfragt werden müssen.
Die Validation des erweiterten STMS wurde in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst zeigte der Vergleich mit Daten anderer Modelle , daß durchaus Unterschiede zwischen den Ergebnissen bestehen. Diese können aber im wesentlichen auf nicht-optimal angepaßte Modellatmosphären und Vereinfachungen der andere Modelle zurückgeführt werden. Im zweiten Schritt zeigte der Vergleich zu Experimentaldaten zum Teil sehr gute Übereinstimmung. Insbesondere der erfolgreiche Vergleich mit Daten des Satelliteninstruments GOME muß als Indiz gewertet werden, daß das STM reale Daten gut beschreibt und damit RRS zum maßgeblichen Bestandteil den RING Effekt erklärt. Diese Schlußfolgerung ist möglich, da in den Vergleich direkt gemessene und modellierte Größen eingingen und damit keine kritischen Annahmen den Größen zugrunde lagen, wie z.B. für den Vergleich von RING Referenz Spektren.
Im weiteren wurde die HOTELLING Transformation vorgestellt, welche potentiell in der Lage ist, die Auffüllung von solaren FRAUNHOFERlinien- sowie Gasabsorptionslinien (entsprechender Breite) zu trennen. Zum einen konnte mit dieser Methode der NO2 Gehalt in den gemessenen RING Referenz Spektren (Zenitmessungen) nachgewiesen werden. Zum anderen bietet diese Methode die Möglichkeit, RING Referenz Spektren bezüglich verschiedener Größen zu parametrisieren, eine Möglichkeit, die dann später in der DOAS Auswertung von NO2 erfolgreich angewendet wurde.
Die Auswirkungen des RING Effektes auf die Auswertung von Spurengasen sind unter anderem mit der DOAS Auswertungsmethode deutlich sichtbar. Die Auswirkungen der Auffüllung von Gasabsorptionslinien und FRAUNHOFERlinien zeigten sich zum Teil deutlich für O3, NO2 und BrO.
Verschiedene Tests wurden mit Modell- und Experimentaldaten durchgeführt, wobei sowohl modellierte als auch experimentell bestimmte RING Referenz Spektren zum Einsatz kamen. Die Güte von RING Referenz Spektren wird in der Auswertung von Experimentaldaten häufig bezüglich der Größe des resultierenden Residuums bewertet. Die modellierten RING Referenz Spektren ,,passen`` (im Sinne eines kleinen Residuums) trotz Anpassung an das Instrument in den seltensten Fällen so gut wie ein durch das selbe Instrument gemessenes Spektrum. Diese Tatsache verleitet zum Einsatz eines Experimentalspektrums. Es konnte aber für theoretische Untersuchen am Beispiel von O3 gezeigt werden, daß ein relativ großes, durch den RING Effekt bedingtes Residuum auch genauere Auswertungergebnisse ,,begleiten`` kann. Der Einfluß der Menge des Absorbers für die Modellierung des RING Referenz Spektrums liegt bei realistischen Annahmen für O3 bei 2.5-5%. Ähnliche Beobachtungen konnten für BrO gemacht werden. Hier wurden allerdings Experimentaldaten des GOME ausgewertet. Somit kann nichts über den Fehler in der BrO-Säule, sondern nur über eine relative Abweichung ausgesagt werden. Die Abweichungen in der BrO Säule betrugen für realistische Einschätzungen 5%, wenn anstelle eines ohne BrO modellierten RING Referenz Spektrums eines genutzt wurde, welches für eine signifikante BrO-Konzentration bestimmt wurde. In diesem Sinne ist gerade der ,,Spurengasgehalt`` in gemessenen RING Referenz Spektren kritisch zu beurteilen, da Absorptionsstrukturen unabhängig von der Auffüllung der Gasabsorptionslinien aus technischen Gründen in den Spektren erscheinen können.
Die Vernachlässigung eines RING Referenz Spektrums bei der Auswertung von O3 und NO2 ergab Fehler zwischen 6-10% in der Vertikalsäule (die Auswertung von BrO ohne RING Referenz Spektrum ist nicht möglich). Daher liegt der Fehler durch einen fehlerhaften Absorbergehalt im RING Referenz Spektrum durchaus im Bereich des Fehlers, wenn das RING Referenz Spektrum vernachlässigt wird.
Um eine klare Aussage darüber machen zu können, inwiefern die Modellierung der Auffüllung der Gasabsorptionslinien erfolgreich ist, müssen Experimentaldaten ausgewertet werden, die mit unabhängigen, nicht durch den RING Effekt beeinflußten Messungen verglichen werden können.
Für die Gase OClO, HCHO und SO2 sind ähnliche Auswirkungen wie für die BrO Auswertung zu erwarten, da ähnliche Breiten der Absorptionslinien vorliegen. Weiterhin handelt es sich um Absorber im UV, also einem Spektralbereich, der stark beeinflußt wird durch den RING Effekt.

Die Parametrisierung der Gasabsorptionslinienauffüllung in den RING Referenz Spektren via HOTELLING Transformation scheint der ,,richtige Weg`` zu sein, die Auswirkungen des RING Effektes auf die Spurengasauswertung zu minimieren. In dieser Hinsicht ist noch zu klären, welche Größen in die Parametrisierung einzugehen haben.
In Hinblick auf das zum Teil noch unverstandene Verhalten des RING Effektes bei Bewölkung ist die Einbindung des erweiterten Strahlungstransportmodels in ein STG geplant, welches die Modellierung von Wolken beinhaltet.
Da sich in den letzten Jahren die Abtastung und Auflösung der spektralen Messungen im UV-VIS Wellenlängenbereich ständig verbessert haben, ist die Genauigkeit, mit der spektrale Absorptionssignaturen im Meßspektrum detektiert werden können, deutlich gestiegen. Andererseits stellen sich Auffüllungsstrukturen für Messungen bei hoher spektraler Auflösung vergrößert dar. Es darf also erwartet werden, daß für zukunftige Generationen von Meßgeräten der RING Effekt von größerer Bedeutung werden kann als er es im Moment schon ist, wenn keine entsprechenden Maßnahmen zur Kompensation oder Korrektur vorgenommen werden.



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Marco Vountas