Entwicklung, Primärvalidierung und Feldeinsatz neuartiger, kalibrierungsfreier Laser-Hygrometer für Forschungsflugzeuge

Wasserdampf zahlt, als das zentrale atmospharische Kopplungselement fast aller mikroskopischen (bspw. Tropfen/ Eiskristallbildung), makroskopischen (bspw. Wolken/Niederschlag) wie auch globalen Prozesse (Wasserkreislauf), zu den wichtigsten umweltphysikalischen und meteorologischen Messgrosen. Dennoch bestehen heutzutage vor allem bei flugfahigen Hygrometern immer noch erhebliche sowohl systematische (±10%) als auch dynamische (±30%) Diskrepanzen, selbst zwischen etablierten und intensiv eingesetzten Hygrometern. Ein moglicher Grund hierfur ist deren fehlende Ankopplung an die internationale metrologische Feuchteskala, die je nach Bereich mit einer metrologischen Unsicherheit von ca. 0.3% (k = 2) sehr gut definiert ist und sich als Referenz gut zur Herstellung der Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Instrumenten eignen wurde. Ziel dieser Arbeit war es daher, eine neue Klasse feldtauglicher, metrologisch validierter und auf die metrologische Feuchteskala ruckgefuhrter Laser-Hygrometer zu entwickeln, die auf die sonst ubliche, aber bei H2O fehleranfallige Kalibrierung verzichten und gleichzeitig uber die wichtigsten fur den Flugzeugeinsatz erforderlichen Eigenschaften verfugen. Dazu gehort u.a. ein sehr hoher Dynamikbereich (3–40000 ppmv H2O), hohe Messgeschwindigkeit (>>1 Hz) und hohe Prazision (<< 0.2 ppmv), kombiniert mit hoher Zuverlassigkeit und Robustheit. In der vorgelegten Arbeit entwickelt, aufgebaut, validiert und eingesetzt sind in Summe funf verschiedene, komplett neue TDLAS-Hygrometer (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy): Eine Labor-Machbarkeitsstudie und vier fur den Flugzeugeinsatz zugelassene, kleinserienahnliche, kompakte und autonome Laser-Hygrometer, namlich zwei rein extraktive Gerate bei λ = 1.4 µm (SEALDH-I und SEALDH-II), ein komplexes Mehrphasen-Hygrometer (HAI-Ia) bei λ = 1.4 & 2.6 µm und dessen Weiterentwicklung (HAI-Ib). Zur Miniaturisierung und, um den Robustheitsanforderungen zu genugen, mussten zahlreiche Detailprobleme erforscht und dafur Speziallosungen entwickelt werden, z.B. eine hochprazise und dennoch robuste spektrale Laserstabilisierung sowie Methoden zur ganzheitlichen Behandlung parasitarer Absorptionen in Freistrahl- wie auch fasergekoppelten Spektrometern. Zwei der dabei entstandenen innovativen Baugruppen sind bereits als Patent angemeldet. Im Zuge ausgiebiger Validierung der Hygrometer an metrologisch ruckgefuhrten H2O-Standards unter Labor- und (hinsichtlich Temperatur, Vibrationen, Umgebungsfeuchte) flugahnlichen Bedingungen wurde der erste Vergleich eines kalibrierungsfreien TDLAS-Hygrometers mit einem nationalen H2O-Primarnormal realisiert. Dieser ergab uber den gesamten „p, T, c“-Einsatzbereich eine metrologische Gesamtunsicherheit von 4.3% ±3 ppmv. In mehreren aufwandigen Messreihen wurde die Langzeitstabilitat (µ = 0.2% σ = 0.3%) uber 18 Monate bestimmt. Dank komplexer Stabilisierungs- und Uberwachungseinrichtungen wurde der fur den Feldeinsatz sehr wichtige Temperaturdurchgriff auf das Ausgangssignal des Messgerates auf relative Anderungen von nur 0.02%/K begrenzt. Wahrend 6 Flugkampagnen mit in Summe ca. 250 Netto-Flugstunden, ohne jeglichen Ausfall, wurde zum ersten Mal die kalibrierungsfreie Messung mittels TDLAS auf verschiedenen Forschungsflugzeugen uber den kompletten tropospharischen Bereich hinweg bis in die Stratosphare erfolgreich demonstriert. Neben Inflight-Vergleichen der extraktiven (closed-path) Hygrometer mit zahlreichen etablierten Hygrometern (z.B. CR2, WVSS-II, FISH) wurde in Kooperation mit dem FZ Julich die erste kalibrier- und probennahmefreie Gasphasenmessung mit einer open-path White-Zelle direkt auf der Ausenhaut eines Forschungsflugzeugs (HALO) realisiert. Die erstmals mit dem gleichen Messprinzip realisierte Kombination von open-path und closed-path Messung im Multiphasen-Hygrometer HAI ermoglichte die ersten direkten, synchronen Mehrphasen-H2O-Messungen in Eis-, Flussigphasen- und Mischphasenwolken. Auserhalb von Wolken wurde erstmals die Kreuzvalidierung der open-path Messung an den metrologisch validierten closed-path Messungen mit einem Mehrkanal-Hygrometer erfolgreich (je nach Bereich < 5%) demonstriert. Mittels der open-path Zelle (HAI) wurde auch die erste kalibrierungsfreie optische Druckmessung auf einem Forschungsflugzeug realisiert und mit einem mikromechanischen Drucksensor verglichen (je nach Bereich <1%), was den ersten Nachweis bis zu 30% starker, lage-induzierter, lokaler Druckoffsets gestattete. Die hohe Prazision (HAI closed-path: ~19 ppbv im Labor bei 100 ppmv & 10 Hz, HAI closed-path: ~67 ppbv im Flug bei 10 ppmv & 10 Hz, bzw. HAI open-path: ~13000 ppbv im Flug bei 900 km/h, 6000 ppmv & 10 Hz) in Kombination mit einer effektiven Messzykluszeit von nur 1.35 ms bei 120 Hz Messdatenrate und einem bewiesenen Auflosungsvermogen hoher Gradienten von bis zu 26 000 ppmv/s der closed-path Zellen erlaubt die Untersuchung der raumlichen H2O-Feinstruktur (Δl = 35 cm bei v = 900 km/h) – insbesondere in Wolken. SEALDH-II und HAI (closed-path) zeigten wahrend der internationalen Hygrometer-Vergleichskampagne AquaVIT-II, deren Gesamtresultate noch unter Verschluss sind, eindrucksvolle Abweichungen im niedrigen Prozentbereich (z.B. H2O-Bereich 100–1000 ppmv ~2% bzw. 20–350 ppmv ~1.3%). Durch die mittels dieser Hygrometer erstmals realisierte enge Verbindung von Meteorologie und Metrologie stehen der Atmospharencommunity in Zukunft neue, leistungsfahige Werkzeuge fur die kalibrierungsfreie, genaue, schnelle, prazise und zuverlassige Quantifizierung atmospharischer Wassergehalte uber den kompletten tropospharischen Bereich hinweg bis in die Stratosphare zur Verfugung. Durch den Bezug zur metrologischen Feuchteskala konnen die Instrumente in Zukunft zur deutlichen Verbesserung der Genauigkeit und Vergleichbarkeit von Wassermessungen beitragen und als feldtauglicher Goldstandard fur Messnetze dienen.