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Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 12. Fernerkundung.

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Präsentation zum Thema: "Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 12. Fernerkundung."—  Präsentation transkript:

1 Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 12. Fernerkundung

2 Advantages of Optical Remote Sensing Non-interfering for source effluent monitoring probeless technique, no interference with operation of investigated industrial facility Integrated-path measurements measurements on spacial and temporal scales comparable to models possible Measurements at ground level and aloft cost-effective method to monitor pollutant concentrations aloft and three-dimensional Perspective in monitoring in contrast to point-measurements of in-situ instruments Measurements over large geographical areas cost-effective method to measure over large geographical areas

3 Applications of Optical Remote Sensing detection of atmospheric gases, particles, pollutants (DIAL, multiwavelength Lidar) cloud studies (height, width, distribution of ice and water) measurement of meteorologic parameters (wind, temperature, visibility, BL height) laser induced fluorescence LIF (chlorophyll as indicator of forest decline) monitoring of surfaces (oil spills on the sea, surface heights and composition) under water monitoring (phytoplankton pigments, PAHs, sea bottom)

4 Arten aktiver optischer Fernerkundung für die Atmosphäre Nutzung der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit in der Atmosphäre vorkommenden Gasen und Partikeln Differential Optical Absorption Spectrometer (DOAS) (nicht ortsaufgelöst, Multikomponenten-Messung) Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) (nicht ortsaufgelöst, Multikomponenten-Messung) Light Detection and Ranging (LIDAR) (ortsaufgelöst, i.d.R. Einkomponenten-Messung)

5 Prinzipieller Aufbau: Messgeräte zur Optischen Fernerkundung DOAS und FTIR mit Strahlungsquelle: - getrennt vom Detektor (Spektrometer) - am Detektor über Retroreflektor FTIR mit Sonne als Strahlungsquelle LIDAR mit Strahlungsquelle und Messung der rückgestreuten Strahlung FTIR LIDAR UV / IR

6 Differential Optical Absorption Spectrometer (DOAS) Absorption von UV oder IR-Strahlung einer spektral breidbandigen Lichtquelle (Xenon-, Halogen-Lampe) Beispiele detektierbarer Stoffe: BTX (Benzol, Toluol, Xylol) SO 2 CS 2 NO NO 2 NO 3 NH 3 HNO 2 O 3 HCHO OH Hg Nachweisgrenzen abhängig von Messstreckenlänge und Stoff (i.d.R. 10 – 100 ppb) Gleichzeitige Messung verschiedener Luftverunreinigungen möglich (Multikomponentenmessung)

7 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) Aufnahme eines Spektrums im IR (aktiv oder passiv) Beispiele detektierbarer Stoffe: Alkane Alkene Alkohole BTX (Benzol, Toluol, Xylol) Phenole Ketone, Aceton NO 2 SO 2 NH 3 HCl CO 2 HNO 3 O 3 H 2 O Nachweisgrenzen abhängig von Messstreckenlänge und Stoff (i.d.R. 10 – 100 ppb) Gleichzeitige Messung verschiedener Luftverunreinigungen möglich (Multikomponentenmessung) Michelson-Interferometer

8 Sodar Funktionsweise Aussendung von Schallwellen und Detektion ihres Echos (Rückstreuung) Echos durch Inhomogenitäten der Atmosphäre (Dichteunterschiede) Streuenden Luftanteile besitzen mittlere Windgeschwindigkeit Frequenz empfangener Schallwellen verschoben durch Doppler-Effekt Analyse des Zeitsignals: Höhenprofilen der Windgeschwindigkeit oder der Streuintensität (Echogramme)

9 Light Detection and Ranging (LIDAR) Aktives Ortungsverfahren Analog:Radar (Radio Detection and Ranging) - Radiowellen Sodar (Sound Detection and Ranging) - Schallwellen Aufbau: Strahlungsquelle:Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Aussende- und Empfangseinheit: Teleskop, Optiken (Spiegel,...) Detektor:Photomultiplier Detektierbare Stoffe:theoretisch alle wie bei FTIR und DOAS je nach Auswahl der Laserwellenlängen

10 Verschiedene Lidarmethoden Backscatter Lidar Messung der Rückstreuung Extinktion Multiangle Lidar unterschiedliche Zenitwinkel 2D-Scans, genauere Extinktion DAS/DIAL Lidar (Differentielle Absorption und Streuung/Diffentielles Absorptions Lidar) zwei oder mehr Wellenlängen Gaskonzentrationen Doppler Lidar Doppler-Effekt Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur, Dichte Raman Lidar Messung der Ramanstreuung gleichzeitig mehrere Gaskonzentrationen High Spectral Resolution Lidar (HSRL) gleichzeitige Messung 2 Rückstreusignale Trennung Aerosol/Molekül Streuung Fluoreszenz Lidar Laser induzierte Fluoreszenz (LIF) Gaskonzentrationen (OH, NH3) Multiwavelength Lidar mehrere Wellenlängen Aerosoleigenschaften

11 DIAL - Gleichung MMolekulargewicht on Absorptionsquerschnitt des Gases auf der Absorptions-Wellenlänge off Absorptionsquerschnitt des Gases auf der Nicht - Absorptions-Wellenlänge C(r)Konzentration range-dependent P on (r)Signal auf der Absorptions-Wellenlänge (range-dependent) P off (r)Signal auf der Nicht-Absorptions-Wellenlänge (range-dependent) on (r) gesamt – Volumen – Rückstreukoeffizient der Atmosphäre auf der Absorptions-Wellenlänge off (r) gesamt – Volumen – Rückstreukoeffizient der Atmosphäre auf der Nicht - Absorptions-Wellenlänge on (r) gesamter Extinktions – Koeffizient der Atmosphäre auf der Absorptions-Wellenlänge off (r) gesamter Extinktions – Koeffizient der Atmosphäre auf der Nicht - Absorptions-Wellenlänge SCHRÖTER, M., OBERMEIER, A., PLECHSCHMIDT, M., BRÜGGEMANN, D. & Klemm, O. Remote Monitoring of Air Pollutant Emissions from Point Sources by a Mobile Lidar/Sodar System. JAWMA

12 Lidar - Verfahrensmerkmale VDI-Richtlinie 4210 Blatt 1: Fernmessverfahren – Messungen in der Atmosphäre nach dem Lidar-Prinzip, Messen gasförmiger Luftverunreinigungen mit dem DAS-Lidar Zeitliche Auflösung:kürzester Zeitabstand aufeinanderfolgender Konzentrationsprofile Tiefenauflösung:Entfernungsbereich, über den sich eine gemessene Konzentration erstreckt Tiefenmittelungsintervall:Entfernungsbereich über den Messdaten gemittelt werden Einsatzpunkt:Entfernung, ab der gemessen werden kann Reichweite:Entfernung, an der die Nachweisgrenze erstmalig das Zehnfache der optimalen Nachweisgrenze überschreitet Konzentrationsbereich:Bereich messbarer Konzentrationen Nachweisgrenze:kleinster mit 95 % - Sicherheit von Null unterscheidbarer Wert Bestimmungsgrenze:kleinster mit 95 % - Sicherheit von der Nachweisgrenze unterscheidbarer Wert

13 Quellen des Rauschens bei optischer Fernerkundung Art des RauschensPhysikalische Ursache Signalrauschen (quantum noise)statistische Fluktuationen im Signal Vermeidung kaum möglich Hintergrundstrahlungstatistische Fluktuationen Hintergrundstrahlung geeignete Wellenlängenwahl, Nacht-Messung Dunkelstrom Rauschenthermische Bildung von Ladungsübertragungen in Abwesenheit eines optischen Signals Kühlung des PMT, PMT-Auswahl Thermisches Rauschen (Nyquist)thermische Erregung von Ladungsübertragungen Kühlung, Auswahl geeigneter Bauteile

14 Aufbau eines Lidarsystems Laser Aussendeeinheit für Laserstrahlung Detektionseinheit Empfangseinheit der rück- gestreuten Laserstrahlung Elektronik Computer Steuerung

15 LIDAR: light detection and ranging

16 Spezifikation Lidar 510 M ELIGHT Laser Systems GmbH SpurenstoffeKonventions- Nachweisgrenze Konventions- Reichweite Mess- wellenlänge Referenz- wellenlänge SO 2 NO 2 O 3 Toluol Benzol Extinktion* 8 μg/m³ 20 μg/m³ 2 μg/m³ 10 μg/m³ 0,05 km m 2500 m 2100 m 1700 m 1600 m 3000 m 286,9 nm 398,3 nm 282,4 nm 266,9 nm 259,2 nm ,3 nm 297,0 nm 286,3 nm 266,1 nm 257,9 nm --- Einsatzpunkt:250 m Tiefenauflösung:7,5 m zeitliche Auflösung:zeitliche Auflösung einer Messung (in eine Richtung) ist bedingt durch die erwünschte Genauigkeit und die Nachweisgrenzen: längere Messungen erlauben bessere Nachweisgrenzen * Berechnung erfolgt über die Slope-Methode aus der Referenzwellenlänge

17 Lidar α SCHRÖTER, M., OBERMEIER, A., PLECHSCHMIDT, M., BRÜGGEMANN, D. & Klemm, O. Remote Monitoring of Air Pollutant Emissions from Point Sources by a Mobile Lidar/Sodar System. JAWMA

18 Plume B Plume A SCHRÖTER, M., OBERMEIER, A., PLECHSCHMIDT, M., BRÜGGEMANN, D. & Klemm, O. Remote Monitoring of Air Pollutant Emissions from Point Sources by a Mobile Lidar/Sodar System. JAWMA

19 SCHRÖTER, M., OBERMEIER, A., PLECHSCHMIDT, M., BRÜGGEMANN, D. & Klemm, O. Remote Monitoring of Air Pollutant Emissions from Point Sources by a Mobile Lidar/Sodar System. JAWMA

20 20 o N, 3 o E 17 o N, 6 o E Altitude, km LITE data, West Africa, September1994 Aerosols Thin Cirrus Mixed-phase clouds Beispiel: LITE (Lidar In-space Technology Experiment)

21 MOPITT MOPITT was successfully launched on December , onboard the Terra satellite, the flagship of NASA's EOS (Earth Observing System) program.

22 Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998 CO – Messung: = µm (Profil) = µm (Säule) CH 4 – Messung: = µm (Säule) MOPITT

23 MAPS: Monitoring of Air Pollution from Space MOPITT: Monitoring of Pollution in the Troposphere Bodennahes CO – Mischungsverhältnis am 19. Juni 1997

24 MOPITT: Monitoring of Pollution in the Troposphere

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28 NadirLimb UV/VisIRUV/Vis/IRUV/VisIRUV/Vis/IR NRT O 3*, NO 2, SO 2 *, OClO *, H 2 CO * H 2 O, CO, N 2 O, CH 4 Clouds, Aerosols Off-Line O 3, NO 2, BRO, SO 2 *, OClO *, H 2 CO * H 2 O, CO, CO 2, N 2 O, CH 4, T Clouds, Aerosols O 3, NO 2, BrO H 2 O, CO, CO 2, N 2 O, CH 4, T Aerosols (*) These molecules can only be detected under special conditions

29 Two-year average of column averaged mixing ratios (in ppb) of methane retrieved from SCIAMACHY from January 2003 through December The measurements have been gridded with a spatial resolution of 0.5 longitude times 0.5 latitude. Frankenberg,, C., Meirink, J. F. Bergamaschi, P., Goede, A. P. H., M. Heimann, M., Körner, S., Platt, U., van Weele, M., and Wagne, T.: Satellite chartography of atmospheric methane from SCIAMACHY on board ENVISAT: Analysis of the years 2003 and JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 111, D07303, doi: /2005JD006235, 2006 CH 4 from SCIAMACHY

30 SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY) scia_no2/NO2_ gif

31 Beispiel für DOAS-Satellitenmessung ENVISAT SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY)


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