Lidar-Messung der Extinktion des atmosphärischen Aerosols am Beispiel der Feldstudie SAMUM-1

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein spektral hochauflosendes Lidar (HSRL) aufgebaut und wahrend des Feldexperiments SAMUM im Mai/Juni 2006 und im Januar/Februar 2008 an Bord des Forschungsflugzeugs Falcon betrieben. Die Intensitat von Lidar–Signalen wird masgeblich durch die Ruckstreuung und die Extinktion der atmospharischen Teilchen beeinflusst. Dabei stehen die Ruckstreuung und die Extinktion der Aerosole in keinem konstanten Verhaltnis zueinander. Die Messgrose eines normalen Ruckstreu–Lidars ist insofern mit zwei unbekannten Grosen behaftet, weshalb die direkte Messung der Aerosolextinktion mit einem solchen Lidar nicht moglich ist. Im Gegensatz dazu wird bei der Methode des HSRL neben der gesamten atmospharischen Ruckstreuung der Teil der molekularen Ruckstreuung gesondert gemessen. Die Messung des molekularen Ruckstreusignals wird durch die spektrale Filterung der atmospharischen Ruckstreuung mit einem schmalbandigen optischen Filter ermoglicht. Durch den Vergleich des gemessenen molekularen Signals mit dem zu erwartenden kann die Aerosolextinktion direkt bestimmt werden. Zum Aufbau des Instruments wurde eine Joddampfabsorptionszelle konstruiert und in das Empfangsmodul des bestehenden flugzeuggetragenen Lidars des Deutschen Zentrums fur Luft– und Raumfahrt integriert. Auserdem wurde der Lasertransmitter des Lidars mit einem neuartigen Verfahren der opto–akustischen Modulation frequenzstabilisiert. Wahrend SAMUM–1 wurden damit erstmalig die optischen Eigenschaften des reinen Saharastaubaerosols, insbesondere dessen Extinktion, das Verhaltnis von Extinktion und Ruckstreuung sowie die Depolarisation, in der Nahe seiner Quellgebiete untersucht. Die Messungen des neuen HSRL wurden zur Qualitatssicherung mit Hilfe unabhangiger Instrumente validiert. Die Lidar–Verhaltnis–Messungen wurden durch Trajektorienanalysen auf mogliche Abhangigkeiten von unterschiedlichen Quellgebieten untersucht. Die HSRL–Messungen der Aerosol–optischen Dicke wurden mit satellitengestutzten Messungen verglichen. Sudlich des Hohen Atlas Gebirges wurden Aerosol–optische Dicken von 0,50 bis 0,60 gemessen. Es zeigte sich eine ausgepragte laterale Variabilitat der Aerosol–optischen Dicke, die bei homogenen Schichten allein auf deren unterschiedliche Dicke zuruckgefuhrt werden konnte. Die vertikalen Variationen des Lidar–Verhaltnisses zwischen 38 sr und 50 sr wurden durch Trajektorienanalysen auf die Anstromung aus unterschiedlichen Quellgebieten zuruckgefuhrt. Im Depolarisationsverhaltnis wurden jedoch keine vertikale Variationen beobachtet, was auf eine einheitliche Teilchenform schliesen lasst. Die Aerosoldepolarisation betrug in den Staubaerosolschichten 0,30 ± 0,02. Dies bestarkt die Annahme, dass das Lidar–Verhaltnis in erster Linie durch die unterschiedliche chemische Zusammensetzung des Aerosols beeinflusst wird. Aufgrund der hohen naturlichen Variabilitat erscheint die Angabe eines mittleren Wertes als nicht sinnvoll. Der Vergleich mit MISR–Messungen der Aerosol–optischen Dicke zeigte grostenteils Ubereinstimmung innerhalb der Fehlergrenzen. Direkt uber dem Hohen Atlas traten signifikante Abweichungen auf, die durch die sich stark andernde Topographie erklart werden konnen.