Umweltmeteorologie 12. Fernerkundung Prof. Dr. Otto Klemm 12. Fernerkundung Prof. Dr. Otto Klemm

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

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)

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)

Prinzipieller Aufbau: Messgeräte zur Optischen Fernerkundung UV / IR 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 LIDAR FTIR

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) SO2 CS2 NO NO2 NO3 NH3 HNO2 O3 HCHO OH Hg Nachweisgrenzen abhängig von Messstreckenlänge und Stoff (i.d.R. 10 – 100 ppb) Gleichzeitige Messung verschiedener Luftverunreinigungen möglich (Multikomponentenmessung)

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 NO2 SO2 NH3 HCl CO2 HNO3 O3 H2O Nachweisgrenzen abhängig von Messstreckenlänge und Stoff (i.d.R. 10 – 100 ppb) Gleichzeitige Messung verschiedener Luftverunreinigungen möglich (Multikomponentenmessung) Michelson-Interferometer

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)

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

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

DIAL - Gleichung M Molekulargewicht on Absorptionsquerschnitt des Gases auf der Absorptions-Wellenlänge off Absorptionsquerschnitt des Gases auf der Nicht - Absorptions-Wellenlänge C(r) Konzentration „range-dependent“ Pon(r) Signal auf der Absorptions-Wellenlänge (range-dependent) Poff(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

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

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

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

LIDAR: light detection and ranging

Spezifikation Lidar 510 M ELIGHT Laser Systems GmbH Spurenstoffe Konventions-Nachweisgrenze Konventions-Reichweite Mess- wellenlänge Referenz-wellenlänge SO2 NO2 O3 Toluol Benzol Extinktion* 8 μg/m³ 20 μg/m³ 2 μg/m³ 10 μg/m³ 0,05 km-1 2200 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 --- 286,3 nm 297,0 nm 266,1 nm 257,9 nm * Berechnung erfolgt über die Slope-Methode aus der Referenzwellenlänge 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

α Lidar 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

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

SCHRÖTER, M. , OBERMEIER, A. , PLECHSCHMIDT, M. , BRÜGGEMANN, D 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

(Lidar In-space Technology Experiment) Beispiel: LITE (Lidar In-space Technology Experiment) 20 LITE data, West Africa, September1994 Thin Cirrus Altitude, km 10 Mixed-phase clouds Aerosols 20o N, 3o E 17o N, 6o E

MOPITT MOPITT was successfully launched on December 18 1999, onboard the Terra satellite, the flagship of NASA's EOS (Earth Observing System) program. http://www.atmosp.physics.utoronto.ca/MOPITT/home.html

Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998 MOPITT CO – Messung:  = 4.617 µm (Profil)  = 2.334 µm (Säule) CH4 – Messung:  = 2.258 µm (Säule) http://www.atmosp.physics.utoronto.ca/MOPITT/MATR.pdf Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998

Bodennahes CO – Mischungsverhältnis am 19. Juni 1997 MAPS: Monitoring of Air Pollution from Space MOPITT: Monitoring of Pollution in the Troposphere http://acd.ucar.edu/~boris/Science/Papers/IMG_CO.pdf Bodennahes CO – Mischungsverhältnis am 19. Juni 1997

MOPITT: Monitoring of Pollution in the Troposphere http://www.atmosp.physics.utoronto.ca/MOPITT/movies.html

http://www.iup.physik.uni-bremen.de/sciamachy/index.html

http://envisat.esa.int/instruments/sciamachy/data-app/dataprod.html

http://envisat.esa.int/instruments/sciamachy/data-app/dataprod.html

(*) These molecules can only be detected under special conditions Nadir Limb UV/Vis IR UV/Vis/IR NRT O3*, NO2, SO2*, OClO*, H2CO* H2O, CO, N2O, CH4 Clouds, Aerosols   Off-Line O3, NO2, BRO, SO2*, OClO*, H2CO* H2O, CO, CO2, N2O, CH4, T O3, NO2, BrO H2O, CO, CO2, N2O, CH4, T Aerosols (*) These molecules can only be detected under special conditions http://envisat.esa.int/instruments/sciamachy/data-app/dataprod.html

CH4 from SCIAMACHY Two-year average of column averaged mixing ratios (in ppb) of methane retrieved from SCIAMACHY from January 2003 through December 2004. 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 2004. JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 111, D07303, doi:10.1029/2005JD006235, 2006

http://www. iup. physik. uni-bremen http://www.iup.physik.uni-bremen.de:8083/doas/images/results/contrace/ scia_no2/NO2_20030721.gif SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY)

Beispiel für DOAS-Satellitenmessung ENVISAT http://www.iup.physik.uni-bremen.de:8083/doas/no2_from_scia.htm SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY)