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Testen der Höhenzuordnung und vertikalen Auflösung von AirCore-Messungen mit einer neuen Spiking-Methode.
Dauer: 20.11.2020 – 27.05.2021
AirCore-Probennehmer werden zunehmend verwendet, um vertikale Profile von Spurengasen zu erfassen, die vom Boden bis zu etwa 30 km reichen, um Fernerkundungsinstrumente zu validieren und Transportprozesse in der Stratosphäre zu untersuchen.
Beim Einsatz auf einem Wetterballon ist die genaue Zuordnung der Spurengasmessungen zu den Messhöhen nicht trivial, insbesondere in der Stratosphäre. In diesem Artikel stellen wir das CO-Spiking-Experiment vor, das auf jedem AirCore auf jeder Plattform eingesetzt werden kann, um verschiedene rechnerische Höhenzuordnungsprozesse zu evaluieren und die vertikale Auflösung des Profils durch Injektion kleiner Signalgasmengen bei vordefiniertem GPS experimentell abzuleiten Höhen während der Probenahme.
Wir haben im Juni 2019 zwei CO-Spiking-Flüge mit einem AirCore der Goethe-Universität Frankfurt (GUF) durchgeführt, der zu einem Wetterballon in Traînou, Frankreich, eingesetzt wurde. Die Höhenabfrage basierend auf einer Annahme des momentanen Druckgleichgewichts überschätzt die Messhöhen leicht, insbesondere bei die Oberseite der Profile. Für diese beiden Flüge ist unsere Höhenzuordnung innerhalb von 250 m unter 20 km genau. Oberhalb von 20 km wird der positive Bias größer und erreicht bis zu 1,2 km in 27 km Höhe. Es hat sich gezeigt, dass Unterschiede in den Sinkgeschwindigkeiten einen großen Einfluss auf die Verzerrung der Höhenzuordnung haben.
Wir parametrisieren die Zeitverzögerung zwischen der theoretisch zugeschriebenen Höhe und der tatsächlichen CO-Spike-Release-Höhe für beide Flüge zusammen und verwenden sie, um unseren AirCore-Höhenabruf empirisch zu korrigieren. Bei den korrigierten Profilen ist die Höhenzuordnung im gesamten Profil innerhalb von ±120 m genau. Um die Gültigkeit dieses Korrekturparameters in Bezug auf unterschiedliche Umgebungsbedingungen und maximale Flughöhen zu testen, sind weitere Untersuchungen erforderlich. Wir leiten die vertikale Auflösung aus den CO-Spitzen beider Flüge ab und vergleichen sie mit der modellierten vertikalen Auflösung.
Die modellierte vertikale Auflösung ist im Vergleich zur experimentell abgeleiteten Auflösung im gesamten Profil zu optimistisch, obwohl sie innerhalb von 220 µm übereinstimmt. Alle unsere Erkenntnisse aus den beiden CO-Spiking-Flügen sind strikt an die GUF AirCore-Dimensionen gebunden. Mit dem neu eingeführten CO-Spiking-Experiment können in zukünftigen Studien verschiedene Kombinationen von AirCore-Konfigurationen und -Plattformen getestet werden.
Thomas Wagenhäuser, Andreas Engel und Robert Sitals
Das Hartdichtungskonzept (Saphir/Rubin) unsere Ventile ermöglicht eine sehr hohe temperaturbeständig. Selbst in Umgebungen unter Null verhaltend sie sich wie erwartet und passen daher gut zu dieser Anwendung. Durch die Verwendung der kleinsten Düse und Ventilhub, ist ein möglichst kleiner Impuls möglich. Diese erlaubten es einen sehr kleinen Gasvorrat zu verwenden. Das sparte entscheidendes Gewicht und ermöglichte einen erfolgreichen Flug.
INLINE VARIANTE
Um das Gas direkt einzuspritzen, war eine Inline-Ventilkonfiguration am besten geeignet. Dies ermöglichte es, Schläuche an beiden Enden zu befestigen. Der Ventilhalter war eine einfache Möglichkeit, das Ventil im AirCore zu integrieren.
Der AirCore ist ein innovatives atmosphärisches Probenahmesystem, das aus einem langen Rohr besteht, normalerweise in Form einer Spule, das die umgebende Atmosphäre beproben und ein Profil des interessierenden Spurengases von der mittleren Stratosphäre bis zum Boden speichern kann. Der schmale Durchmesser und die lange Länge sind so konzipiert, dass die diffuse Vermischung im Schlauch zwischen Probenahme und Analyse minimiert wird.
Der von Pieter Tans erfundene und patentierte AirCore wurde gründlich evaluiert und bietet nachweislich Messgenauigkeiten, die besser oder gleich wie Silikatglaskolben für CO2 und CH4 sind. (Quelle: https://gml.noaa.gov/ccgg/aircore)