Aerosolinduzierte atmosphärische Extinktion in unterschiedlichen Szenarien. 7. Tagung Optik und Optronik in der Wehrtechnik

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Hedwig Weiss
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Tagung Optik und Optronik in der Wehrtechnik 21. 23.

1 Aerosolinduzierte atmosphärische Extinktion in unterschiedlichen Szenarien 7. Tagung Optik und Optronik in der Wehrtechnik September 213 Hans-Albert Eckel, José Pérez, Stephan Anders Institut für Technische Physik, Stuttgart

2 Gliederung - (Hochleistungs-) Laseranwendungen im Freiraum - Atmosphärische Extinktion - Auswirkungen - Aerosole - Mie-Streuung an Aerosolen - Datenlage - Szenarien - Mitteleuropa (kontinental) - Maritimes Umfeld -Wüste - Zusammenfassung / Ausblick

3 (Hochleistungs-) Laserstrahlung im Freiraum Power Beaming Laserwaffen Northrop Grumman Detektion und Beseitigung von Weltraummüll Opt. Kommunikation Lichtkunst

4 Freiraum-Propagation von Laserstrahlung Gedämpfte Ausbreitung eines Laserstrahls in der Atmosphäre - Extinktion durch Absorption und Streuung an Molekülen und Aerosolen Laser -1 Absorptionskoeffizient (km ) Absorption Aerosole Moleküle x Höhe über Grund (km) -1 Streukoeffizient (km ) Streuung Aerosole Moleküle x Höhe über Grund (km)

Wirkung Abgeschwächte Wirkung durch Absorptions- und Streuverluste Modellierung nach McClatchey (1972): 1 kw Laserstrahl, 16 nm, Elevation 15 / 9, Zieldistanz 5 km trüb Normsichtweite 5 km; klar

5 Wirkung Abgeschwächte Wirkung durch Absorptions- und Streuverluste Modellierung nach McClatchey (1972): 1 kw Laserstrahl, 16 nm, Elevation 15 / 9, Zieldistanz 5 km trüb Normsichtweite 5 km; klar Normsichtweite 23 km -1 Absorptionskoeffizient (km ) Absorption trüb : 16 kw / 8 kw klar : 5 kw / 2 kw Höhe über Grund (km) -1 Streukoeffizient(km ) Streuung trüb : 54 kw / 27 kw klar : 19 kw / 8 KW Höhe über Grund (km) Modellierung und Datenbasis verfügbar!

6 Betriebssicherheit Gefährdung durch Streustrahlung Kippwinkel Φ ( ) Intensität (W/m²) Position x (m) D. Qualifizierte Modellierung auf Grund lückenhafter Datenbasis schwierig!

Aerosole Aerosole haben stärksten Einfluss auf

Aerosoleigenschaften: - Größenverteilung?

7 Aerosole Aerosole haben stärksten Einfluss auf Extinktion (Absorption + Streuung) - Kategorien - Nebel (Wasser) - Mineralstaub - Seesalz - Asche - Pollen ORPIL Die Zeit kritische Aerosoleigenschaften: - Größenverteilung? - Konzentration / Dichte? - Brechungsindex? - Höhenverteilung?

8 Mie-Streuung an Aerosolen Mie: Streuung ebener elektromag. Wellen an sphärischen Teilchen Streuphasen für typische Aerosolverteilungen Streuphase 1-2 Aerosole kontinental H rel = 5 % Aerosole Wüste H rel = % Aerosole maritim H rel = 9 % Moleküle ILM Uni-Ulm 1-2 Mie-Streuung von rotem Licht an einem sphärischen Partikel mit 2 µm Durchmesser Streuwinkel θ S ( ) Streuung wird bestimmt durch: - Streuphase = f (Streuwinkel, Brechungsindex œ, Teilchengrößen) - Streuquerschnitt - Höhenprofil

9 Datenlage Aerosole - McClatchey R. A. McClatchey et al, Optical Properties of the Atmosphere (Third Edition), Air Force Cambridge Research Laboratories (1972) - vollständigste öffentlich zugängliche Datenbasis (kontinentales Klima; 5 bzw. 23 km Normsichtweite) - Streu- und Absorptionskoeffizienten - Höhenprofile im Kilometerraster; Bodennähe nicht aufgelöst - Aerosolgrößenverteilung unvollständig - Streuphasen (4 nm / 2 nm) nicht nachvollziehbar - Aeronet AErosol RObotic NETwork: Netz bodenbasierter Sonnenphotometer, kontinuierliche Messungen der spektralen Aerosol-optischen Dicke - Messstationen weltweit - Analyse mit Lidar/Radiometer Inversion Code (LIRIC) Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung e.v. (TROPOS) Leipzig - Keine Höhenprofile in Bodennähe

Datenlage Aerosole (2) - Jaenicke Ruprecht Jaenicke, Tropospheric Aerosols, in Aerosol-Cloud-Climate-Interactions, 1993 - Aerosol-Typen (polar, maritime, continental, urban, desert) -

10 Datenlage Aerosole (2) - Jaenicke Ruprecht Jaenicke, Tropospheric Aerosols, in Aerosol-Cloud-Climate-Interactions, Aerosol-Typen (polar, maritime, continental, urban, desert) - Größenverteilung - Höhenprofile - OPAC Softwarepaket (Optical Properties of Aerosols and Clouds), Streu- und Absorptionskoeffizienten - Höhenprofile - Aerosolgrößenverteilung - Streuphasen -MiePlot Software von Philip Laven - Streuphasen (Aerosole / Aerosolverteilungen)

11 Datenfusion McClatchey Aeronet Jaenicke OPAC Brechungsindex MiePlot Größenverteilung Höhenprofil LIRIC Extinktion Vergleich Ziel: Bestimmung der Streuung in Abhängigkeit der Extinktion (Sichtweite) für unterschiedliche Szenarien

12 Vergleich Datenbasis Teilchendichten Größenverteilung Teilchendichte (cm -3 ) Jaenicke: Ozean min Ozean max kontinental min kontinental max polar McClatchey: trüb dn / dr (cm -3 µm -1 ) Jaenicke: ländlich urban kontinental McClatchey: trüb klar Radius (µm) 1 2

Okt 211 Nov 211 Dez 211 Messdaten 14 12 1 8 6

13 Okt 211 Nov 211 Dez 211 Messdaten klar trüb Extinktionskoeffizient (km ) 8 1 Häufigkeit Häufigkeit klar trüb Extinktionskoeffizient (km ) Freistrahlstrecke des DLR Lampoldshausen -1 Extinktionskoeffizient (km ) Jan 211 Feb 211 Mrz 211 Apr 211 Mai 211 Jun 211 Jul 211 Aug 211 Sep 211 Aeronet Leipzig

Mitteleuropa (kontinental) - Aerosole - Wasser - wasserlösliche Aerosole - Staub - mittlere Luftfeuchtigkeit - Messdaten (Extinktion) - Lampoldshausen

14 Mitteleuropa (kontinental) - Aerosole - Wasser - wasserlösliche Aerosole - Staub - mittlere Luftfeuchtigkeit - Messdaten (Extinktion) - Lampoldshausen (Jahresverlauf) - Leipzig - Modellierung der Streustrahlung Kippwinkel Φ ( ) Intensität (W/m²) Position x (m) D.

Maritimes Umfeld - Aerosole - Seewasser -

42 - erhöhte Streuintensitäten Kippwinkel

15 Maritimes Umfeld - Aerosole - Seewasser - Meersalz (feucht) - hohe Luftfeuchtigkeit - hohe Massenkonzentration in unteren Schichten erhöhte Streuintensitäten Kippwinkel Φ ( ) Intensität (W/m²) Position x (m) D

Wüste - Aerosole - Sand (trocken) - geringe Luftfeuchtigkeit - hohe Massenkonzentration in unteren Schichten - große Partikel - starke Abhängigkeit von Wind - bei gleicher

16 Wüste - Aerosole - Sand (trocken) - geringe Luftfeuchtigkeit - hohe Massenkonzentration in unteren Schichten - große Partikel - starke Abhängigkeit von Wind - bei gleicher Normsichtweite deutlich höhere Streuintensität am Boden, starke Rückwärtsstreuung Kippwinkel Φ ( ) Intensität (W/m²) Position x (m) D

17 Zusammenfassung - Wachsende Zahl von Laseranwendungen im Freiraum - Aerosole dominieren die atmosphärische Extinktion a) Reduzierte Wirkung am Ziel b) Streustrahlung - Datenbasis zur umfassenden Aerosol-Modellierung noch immer lückenhaft - Vergleich und Fusion unterschiedlicher Modelle / Datensätze schwierig - Datenlücken insbesondere für bodennahe Luftschichten - Gefährdung durch Streustrahlung unkritisch bei guten Sichtweiten und P Laser < 1 kw zu beachten bei sehr hohen Leistungen / gepulsten Lasern - erhöhte Streustrahlung im maritimen Umfeld / Wüste

18 Ausblick - Weiterführung der Arbeiten zu einer umfassenden Aerosol-Modellierung in unterschiedlichen Szenarien - Wellenlängenabhängigkeit - Auswertung weiterer Datenquellen / Schließung von Datenlücken - Direkte Messung der Streustrahlung eines Hochleistungslaserstrahls bei unterschiedlichen Wetterbedingungen

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