Die Atmosphäre der Erde: Windmessung mit Laser für die Wettervorhersage
Atmosphärische Windmessungen sind sehr wichtig für die Klimamodelle und die Wettervorhersage, da die Vorgänge in der Atmosphäre sehr stark von der Dynamik der Luft abhängen. Den atmosphärischen Wind kann man heutzutage natürlich mit Laserlicht messen. Das Laserlicht wird in die Atmosphäre geschickt und die Wellenlänge der zurückgestreuten Photonen gibt Auskunft über die Windgeschwindigkeit. Dank der Dopplerverschiebung kann man so die Bewegung der Luftmoleküle bestimmen.
Laserlicht in der Atmosphäre wird von den Luftmolekülen (Rayleigh-Streuung) und von den etwas größeren Partikeln, wie z.B. Staub, Aerosole und Ruß (Mie-Streuung) gestreut. Die Rayleigh-Streuung ist z.B. die Streuung von Sonnenlicht in der Atmosphäre, was man als blauen Himmel sehen kann. Diese Streuung ist von der Temperatur abhängig, da sich die Luftmoleküle bei höheren Temperaturen stärker bewegen, als bei niedrigen Temperaturen (Brownsche Molekularbewegung). Die Mie-Streuung kann man als Streuung von Sonnenlicht in der staubigeren Luftschicht 1-2 km über dem Boden erkennen, man sieht sie als roten Abendhimmel am Horizont. Das Mie-Spektrum ist nicht temperaturabhängig und sehr schmalbandig.
70% der Erde sind mit Ozeanen bedeckt - was eine gleichmäßige Verteilung bzw. Bedeckung von Messstationen unmöglich macht. Diese Messstationen liefern Daten für die Wettervorhersage und die Klimaforschung. Um Daten von der gesamten Atmosphäre zu bekommen, werden heutzutage Satelliten in die Umlaufbahn der Erde gebracht. Sie messen mittels verschiedener Methoden die Atmosphärenparameter wie Wind, Feuchtigkeit, Druck und Temperatur.
Die European Space Agency (ESA) hat eine Satellitenmission ins Leben gerufen, die Windmessungen in der Atmosphäre der Erde macht und somit Daten für die Wettervorhersage und die Klimaforschung sammeln soll. Hauptziel dieser Atmospheric Dynamics Mission ADM ist es, die Windprofile mit globaler Überdeckung durch ein satellitengetragenes Doppler-Wind-Lidar zu messen. Die erstmalige Entwicklung eines Doppler-Lidar-Systems auf einer Satellitenplattform stellt eine große wissenschaftliche und technologische Herausforderung bis zum geplanten Start der Mission dar.
Im Rahmen dieser Mission wurde ein Prototyp entwickelt - also ein Instrument, das mit dem Prinzip des Satellitenmesssystems vergleichbar ist. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt wurde dieser Prototyp in mehreren Messkampagnen eingesetzt. Zahlreiche Windmessungen wurden vom Boden und vom Flugzeug aus vorgenommen und mit Referenzgeräten verglichen. Ein wichtiger Teil der Arbeit umfasste u.a. die Analyse der Signale am Empfänger und die Entwicklung der Algorithmen zur Auswertung der Daten sowie deren Optimierung. Ziel eines solchen Prototyps ist die Validierung des Gerätes und die Entwicklung von Algorithmen vor dem Beginn der Satellitenmission.
