D5 Erweiterte aktive Fernerkundung

Thema

Fortschrittliche aktive Fernerkundung vereint Lidar-Systeme und Wolkenradar, zwei Instrumentenfamilien, die herkömmliche Wetterradare dort ergänzen, wo letztere nicht hinkommen: Sie sind empfindlicher gegenüber kleinen Partikeln wie Aerosolen und Wolkentröpfchen und erreichen eine viel feinere vertikale Auflösung. Rückstreu-Lidar ist das grundlegendste Instrument für fortgeschrittene aktive Fernerkundung: Es sendet Laserlichtimpulse mit zwei verschiedenen Wellenlängen aus, eine im sichtbaren Grün und eine im nahen Infrarot, und misst dann, wie viel von diesem Licht von den Aerosolen und Wolken, die es durchquert, zu ihm zurückgeführt wird. Aus diesem zurückgesandten Licht erhält das Rückstreu-Lidar vertikale Profile des Rückstreukoeffizienten und Extinktionskoeffizienten der Atmosphäre sowie die genaue Höhe der Wolken und der Grenzschicht, alles mit einer vertikalen Auflösung zwischen zehn und dreißig Metern.

Das Doppler-Lidar basiert auf dem gleichen Rückstreu-Lidar, fügt jedoch die gleiche Idee hinzu, die bereits das Doppler-Radar nutzt: Es misst den Frequenzunterschied, den das von Luftmolekülen und Partikeln in der Troposphäre rückgestreute Licht erleidet, und leitet aus diesem Doppler-Frequenzunterschied den Vertikalwind mit einer Genauigkeit zwischen einem und fünf Zehntel Metern pro Sekunde in Sekundenschnelle und bis zu einer Reichweite zwischen fünf und fünfzehn Kilometern ab.

Wenn Lidar und Wolkenradar zusammen auf demselben Satelliten fliegen, ergänzen sie sich noch mehr: Eine bahnbrechende Satellitenmission kombinierte erstmals beide Instrumente, und ihr jüngster Nachfolger perfektionierte diese Kombination, sodass Aerosole, dünne Wolken und Niederschläge gleichzeitig charakterisiert werden konnten, die ein einzelnes Instrument nicht getrennt unterscheiden konnte. Das auf diesen Missionen geflogene Wolkenradar arbeitet mit einer viel höheren Frequenz als herkömmliche Wetterradare, nämlich fast 94 Gigahertz, wodurch es empfindlich auf Wolkentröpfchen und Eiskristalle reagiert, die herkömmliche Radare nicht erkennen können.

Das gleiche Prinzip des Rückstreu-Lidars, vereinfacht und billiger, führt zu Ceilometern: kostengünstigen Lidars, die in dichten Netzwerken installiert werden – etwa tausend Ceilometer decken Europa ab – und die, ohne die Komplexität eines Forschungs-Lidars zu erfordern, die Höhe der Basis der Grenzschicht und der Wolken an jeder Station im Netzwerk messen.

Alle diese Instrumente, vom Forschungs-Rückstreu-Lidar bis zum einfachsten Ceilometer, basieren auf derselben grundlegenden Beziehung, die als Lidar-Gleichung bekannt ist: Die Leistung, die das Instrument zurückerhält, hängt davon ab, wie stark die Atmosphäre das Licht, das es erreicht, zurückstreut und wie stark es es auf dem Hin- und Rückweg auslöscht. Je größer der Rückstreukoeffizient einer Schicht der Atmosphäre ist, desto mehr Leistung gibt diese Schicht zurück, und je größer ihr Extinktionskoeffizient, desto weniger Leistung bleibt dem Signal übrig, um zu folgen. dringt in tiefere Schichten ein.

Das erwartete Ergebnis aller fortgeschrittenen aktiven Fernerkundung ist eine Reihe vertikaler Aerosol- und Wolkenprofile mit einer zeitlichen und räumlichen Auflösung, die viel höher ist als die jedes herkömmlichen Wetterradars und in der Lage ist, genau zu erkennen, wo herkömmliches Wetterradar blind ist: die dünnen Wolken, die ihr Signal nicht sättigen oder die zu schwach sind, um eine ausreichende Mikrowellenrückstreuung zu erzeugen. Somit ersetzt die fortschrittliche aktive Fernerkundung nicht das herkömmliche Wetterradar, sondern vervollständigt vielmehr das Bild, das dadurch unvollständig bleibt.

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