Projekt 12637/01

Messung von Höhenprofilen atmosphärischer Spurenstoffe mittels Differentieller Optischer Absorptions-Spektroskopie (DOAS)

Projektträger

Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Institut für Umweltphysik
Im Neuenheimer Feld 366
69120 Heidelberg
Telefon: 06221/546-339

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

DOAS-Messungen erlauben die gleichzeitige, berührungsfreie Erfassung der Konzentration einer großen Zahl von atmosphärischen Spurenstoffen (z. B. O3, SO2, NO2, NO3, HNO3, CH2O, CS2, Benzaldehyd, monozyklische Aromate) mit Messgrenzen im ppt-Bereich. Die übliche Betriebsart liefert zwar Konzentrationsmittelwerte über Messstrecken bis einigen Kilometern Länge, jedoch zunächst keine Information über die Höhenverteilung der Spezies. Diese ist jedoch für die Kenntnis der Wechselwirkung der Spurenstoffe in der Grenzschicht von großer Bedeutung. Im Vorhaben wird eine neuartigen Variante des DOAS-Prinzips zur Erfassung von Vertikalprofilen zur Einsatzreife gebracht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBei der neuen DOAS-Variante verläuft der Lichtweg zwischen einer Spektrometer-Teleskop-Kombination am Boden und einem oder mehreren Retroreflektoren, die an einem Fesselballon oder Mast angebracht sind. Eine sequentielle Meßfolge mit Absorptionstrecken in unterschiedlichen Höhen ergibt die Eingangsdaten für eine spezielle Form der DOAS-Auswertung für Höhenprofile.
Zunächst wird das Verfahren an stationären, in unterschiedlichen Höhen angebrachten Retroreflektoren erprobt. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf Messstrecken in der Umgebung Heidelbergs, bei denen Höhendifferenzen von ca. 400 m ausgenutzt werden können.
Parallel hierzu wird vom Industriepartner die Nachführung des Teleskops auf einen Retroreflektor entwickelt, der der Bewegungsdynamik eines Fesselballons unterliegt. Tests der Anordnung werden an einem Mast-Aufbau getestet. Zur Regelung der Nachführung werden Bildverarbeitungstechniken eingesetzt, die die Lage des reflektierten Lichtflecks erkennen.
Das Verfahren wird dann in einer Feldmesskampagne eingesetzt und die erreichten Kenngrößen des Verfahrens werden dokumentiert.


Ergebnisse und Diskussion

1. Bisher wurde das Verfahren an drei stationären Strecken erprobt, die zwischen dem Dach des Institutsgebäudes und drei Zielen in der Altstadt von Heidelberg (Höhenunterschied zum DOAS-Instrument auf dem Institutsdach von Dh = -5 m), einem Standort auf der Spitze des Fernsehturms auf dem Königsstuhl (Dh = 450 m), sowie einem Standort in der Mitte zwischen diesen beiden Stre-cken Molkenkur, (Dh = 150 m). Die drei Messstrecken haben Gesamt-Lichtweglängen von 4984, 9174 bzw. 6840 m.
2. Die DOAS-Meßsoftware WinDoas wurde um Routinen zum automatischen Anfahren der drei Ziele und zum Optimieren der Lichtintensität erweitert. Das Messprogramm läuft im Automatik-Modus seit Mitte November. Abgesehen von Pausen wegen ungenügender Sicht (Nebel) oder zum Wechsel von Gerätekomponenten lief das Programm unterbrechungsfrei.
3. Die Datensätze wurden bisher im Hinblick auf NO2 und HONO (salpetrige Säure, zentrale Vorläufer-substanz in der Ozonchemie) ausgewertet. NO2 zeigt einen starken Tagesgang entsprechend seiner Hauptquelle aus dem Verkehr. Die Auswertung von HONO zeigt den erwarteten starken Höhenabfall und die Dynamik beim Sonnenaufgang.
4. Weiter haben wir zur Vorbereitung auf den geplanten Ballonbetrieb Ballonaufstiege der Kollegen in Karlsruhe beobachtet. Wir haben die Drift des Ballons in verschiedenen Höhen mit einem Zielfernrohr mit angeflanschter Videokamera verfolgt, um Eingangsdaten für die Bildverarbeitungssoftware zu erhalten, mit der wir später das Teleskop dem Ballon nachführen wollen.
5. Wir haben eine Leichtgewichthalterung gebaut, mit der in dreischenkliger Anordnung Retroreflektoren am Ballon befestigt werden können. Diese Anordnung scheint zumindest in Schwachwindlagen erforderlich zu sein, weil der Ballon in verschiedenen Höhen erhebliche Drehungen ausführt.
6. Parallel zu diesen Arbeiten haben wir das gesamte System unter den Gesichtspunkten Zuverlässigkeit und Betriebsstabilität überarbeitet. Die bisherigen Anlagen werden hier in der Regel von erfahrenen Studenten und ihren Betreuern betrieben, während es ein Ziel des Vorhabens ist, eine weitgehend sich selbst überwachende und automatisch arbeitende Version eines DOAS-Instruments zu realisieren. Hierfür wurden Diagnosehilfsmittel, sowohl im optischen Weg als auch in der Steuer-Elektronik, entwickelt und getestet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der Messaufbau und die Ziele der Arbeit wurden beim Besuch einer Landtagsfraktion im März 99 präsentiert und in der örtlichen
Presse dargestellt


Fazit

Entfällt (Zwischenbericht)