Prof. Dr. Otto Klemm. 12. Fernerkundung

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1 Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 12. Fernerkundung

2 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

3 Applications of Optical Remote Sensing detection of atmospheric gases, particles, pollutants (DIAL, multiwavelength l th 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)

4 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)

5 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 LIDAR FTIR Messung der rückgestreuten Strahlung

6 Differential Optical Absorption Spectrometer (DOAS) Absorption von UV oder IR-Strahlung einer spektral breidbandigen Lichtquelle (Xenon-, Halogen-Lampe) Beispiele detektierbarer Stoffe: BTX(B (Benzol, Toluol, l Xylol) l) SO 2 CS 2 NO NO 2 NO 3 NH 3 HNO 2 O 3 HCHO OH Hg Nachweisgrenzen e e abhängig von Messstreckenlänge e e und Stoff (i.d.r ppb) Gleichzeitige Messung verschiedener Luftverunreinigungen möglich (Multikomponentenmessung)

7 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 NO 2 SO 2 NH 3 HCl CO 2 HNO 3 O 3 H 2 O Michelson-Interferometer Nachweisgrenzen abhängig von Messstreckenlänge und Stoff (i.d.r ppb) Gleichzeitige Messung verschiedener Luftverunreinigungen möglich (Multikomponentenmessung)

8 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)

9 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

10 Verschiedene Lidarmethoden Backscatter Lidar Messung der Rückstreuung Extinktion Multiangle Lidar DAS/DIAL Lidar Doppler Lidar Raman Lidar High Spectral Resolution Lidar (HSRL) Fluoreszenz Lidar Multiwavelength Lidar unterschiedliche Zenitwinkel 2D-Scans, genauere Extinktion (Differentielle Absorption und Streuung/Diffentielles Absorptions Lidar) zwei oder mehr Wellenlängen Gaskonzentrationen Doppler-Effekt Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur, Dichte Messung der Ramanstreuung gleichzeitig mehrere Gaskonzentrationen gleichzeitige Messung 2 Rückstreusignale Trennung Aerosol/Molekül Streuung Laser induzierte Fluoreszenz (LIF) Gaskonzentrationen (OH, NH3) mehrere Wellenlängen Aerosoleigenschaften

11 DIAL - Gleichung M σ on σ off C(r) P on (r) P off (r) β on (r) β off (r) α on (r) C ( r ) = 2 M [ σ σ ] on Molekulargewicht off d P r d r ] ( ) ( ) [ ] on () β on ln ln 2 α on ( r) α off ( r) dr P () off r dr β off r C A Absorptionsquerschnitt des Gases auf der Absorptions-Wellenlänge Absorptionsquerschnitt itt des Gases auf fder Nicht - Absorptions-Wellenlänge Wll lä Konzentration range-dependent Signal auf der Absorptions-Wellenlänge (range-dependent) Signal auf der Nicht-Absorptions-Wellenlänge (range-dependent) gesamt Volumen Rückstreukoeffizient der Atmosphäre auf der Absorptions-Wellenlänge gesamt Volumen Rückstreukoeffizient der Atmosphäre auf der Nicht - Absorptions-Wellenlänge gesamter Extinktions Koeffizient der Atmosphäre auf der Absorptions-Wellenlänge B α off () (r) gesamter Extinktions Koeffizient der Atmosphäre auf der Nicht - Absorptions-Wellenlänge l 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

12 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: Tiefenauflösung: Tiefenmittelungsintervall: Einsatzpunkt: Reichweite: Konzentrationsbereich: Nachweisgrenze: Bestimmungsgrenze: kürzester Zeitabstand aufeinanderfolgender Konzentrationsprofile Entfernungsbereich, über den sich eine gemessene Konzentration erstreckt Entfernungsbereich über den Messdaten gemittelt werden Entfernung, ab der gemessen werden kann Entfernung, an der die Nachweisgrenze erstmalig das Zehnfache der optimalen Nachweisgrenze überschreitet Bereich messbarer Konzentrationen kleinster mit 95 % - Sicherheit von Null unterscheidbarer Wert kleinster mit 95 % - Sicherheit von der Nachweisgrenze unterscheidbarer Wert

13 Quellen des Rauschens bei optischer Fernerkundung Art des Rauschens Physikalische Ursache Signalrauschen (quantum noise) statistische Fluktuationen im Signal Vermeidung kaum möglich Hintergrundstrahlung g statistische Fluktuationen Hintergrundstrahlung g 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

14 Aufbau eines Lidarsystems Laser Laser monitoring of air pollution Aussendeeinheit für Laserstrahlung CZECH TECHNICAL UNIVERSITY IN PRAGUE Empfangseinheit der rückgestreuten Laserstrahlung Elektronik Detektionseinheit Computer Steuerung

15 LIDAR: light detection and ranging

16 Spezifikation Lidar 510 M ELIGHT Laser Systems GmbH Spurenstoffe Konventions- Konventions- Mess- Referenz- Nachweisgrenze Reichweite wellenlänge wellenlänge SO 2 8 μg/m³ 2200 m 286,9 nm 286,3 nm NO 2 O 3 Toluol Benzol Extinktion* 20 μg/m³ 2 μg/m³ 10 μg/m³ 10 μg/m³ / ³ 0,05 km m 2100 m 1700 m 1600 m 3000 m 398,3 nm 282,4 nm 266,9 nm 259,22 nm ,0 nm 286,3 nm 266,1 nm 257,9 nm --- * Berechnung erfolgt über die Slope-Methode aus der Referenzwellenlänge Einsatzpunkt: Tiefenauflösung: zeitliche Auflösung: 250 m 7,5 m zeitliche Auflösung einer Messung (in eine Richtung) ist bedingt durch die erwünschte Genauigkeit und die Nachweisgrenzen: längere Messungen erlauben bessere Nachweisgrenzen

17 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

18 15,0 14,5 Measurement wavelength Reference wavelength ln(pr² ²) [mv*m²] 14,0 13,5 13,0 12,5 12,0 11,5 11,0 10,5 Plume B Plume A 10, Distance from lidar [m] 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

19 Measurement Reference SO 2 flu ux [g/s] Day 1 Day 2 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

20 Beispiel: LITE (Lidar In-space Technology Experiment) 20 LITE data, West Africa, September1994 Thin Cirrus tude, km Altit 10 Mixed-phase clouds Aerosols 0 20 o N, 3 o E 17 o N, 6 o E

21 MOPITT MOPITT was successfully launched on December , onboard the Terra satellite, the flagship of NASA's EOS (Earth Observing System) program. atmosp.physi ca/mopitt/home.html ics.utoronto.c

22 MOPITT CO Messung: λ = µm (Profil) λ = µm (Säule) CH 4 Messung: λ = µm (Säule) onto.ca/mopitt/matr.pd physics.utoro f Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998

23 MAPS: Monitoring of Air Pollution from Space MOPITT: Monitoring of Pollution in the Troposphere Bodennahes CO Mischungsverhältnis am 19. Juni 1997 CO.pdf apers/img_c is/science/pa car.edu/~bori

24 MOPITT: Monitoring of Pollution in the Troposphere ics.utoronto.ca/mopitt/movies.html

25 iup.physik.uni-bremen.de/ /sciamachy/index.html

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28 Nadir Limb UV/Vis IR UV/Vis/IR UV/Vis IR UV/Vis/IR NRT O 3*, NO 2, SO 2 *, OClO *, H 2 CO * H 2 O, CO, N 2 O, CH 4 Clouds, Aerosols Off-Line O 3, NO 2, BRO, SO * 2, OClO *, H 2 O, CO, Clouds, CO 2, N 2 O, O Aerosols 3, NO 2, BrO 2,, H 2 CO * CH 4, T CH 4, T H 2 O, CO, CO 2, N 2 O, Aerosols (*) These molecules can only be detected under special conditions

29 CH 4 from SCIAMACHY Two-year average of column averaged mixing ratios (in ppb) of methane retrieved from SCIAMACHY from January 2003 through December 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 JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 111, D07303, doi: /2005jd006235, 2006

30 scia_no2/n iup.physik.uni-bremen.de:8083/doas/im O2_ gif mages/results/contrace/ SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY)

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

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