Onderzoekers hebben een op laser gebaseerd systeem ontwikkeld dat kan worden gebruikt voor metingen in de lucht van belangrijke atmosferische gassen met ongekende nauwkeurigheid en resolutie. Het vermogen om deze gegevens te verzamelen, zal wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe deze atmosferische gassen het klimaat beïnvloeden en zou de voorspellingen van klimaatverandering kunnen helpen verbeteren.

In het tijdschrift Optical Society Toegepaste optica , onderzoekers van Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) — Duitslands nationaal centrum voor ruimtevaart, energie- en transportonderzoek - beschrijf hoe hun lidar-instrument werd gebruikt aan boord van een vliegtuig om de eerste gelijktijdige metingen van de verticale structuur van waterdamp en ozon in het tropopauzegebied van de atmosfeer te verkrijgen. De onderzoekers zeggen dat het nieuwe systeem zelfs nuttig kan zijn voor het monitoren van atmosferische gassen vanuit de ruimte.

De tropopauze scheidt de op het oppervlak gebaseerde troposfeerlaag waar het weer plaatsvindt van de bovenliggende stratosfeer die de ozonlaag bevat die het leven op aarde beschermt tegen schadelijke straling. Wetenschappers willen waterdamp en ozon in de tropopauze bestuderen omdat de verdeling van deze atmosferische gassen in deze laag een cruciale rol speelt in het klimaat op aarde.

"Het vermogen om de verticale structuur van waterdamp en ozon te detecteren is van cruciaal belang voor het begrijpen van de uitwisseling van deze atmosferische gassen tussen de troposfeer en de stratosfeer, " zei Andreas Fix, die het onderzoeksteam leidde. "Deze metingen kunnen ons helpen fouten en onzekerheden in klimaatmodellen te identificeren die de voorspellingen van het toekomstige klimaat zouden helpen verbeteren, dat is een van de centrale uitdagingen voor onze samenleving en economie."

Een 3D-perspectief krijgen

Atmosferische gassen kunnen worden beoordeeld met instrumenten die de atmosfeer in worden gevlogen of met gegevens die zijn verkregen van satellieten. Echter, deze methoden hebben geen volledig beeld kunnen geven van de atmosferische gasdistributie omdat ze ofwel de verticale component missen of een onvoldoende hoge resolutie bieden. Hoewel instrumenten die met ballonnen worden gedragen, ook wel ballonsondes genoemd, zeer duidelijke verticale profielen kunnen bieden, ze bieden geen gedetailleerde temporele resolutie en kunnen alleen op geselecteerde sites worden gebruikt.

Om deze problemen op te lossen, de onderzoekers ontwikkelden een lidarsysteem dat laserlicht gebruikt om tegelijkertijd zowel ozon als waterdamp te meten. Hun aanpak, genaamd differentiële absorptie lidar (DIAL), gebruikt twee licht verschillende UV-golflengten om elk gas te meten. De UV-straling op de ene golflengte wordt grotendeels geabsorbeerd door de gasmoleculen, terwijl de meeste van de andere golflengte wordt gereflecteerd. Door de verhouding van de uit de atmosfeer terugkerende UV-signalen te meten, kan een gedetailleerd gasprofiel worden berekend.

De gasprofielen die met het nieuwe lidar-systeem zijn gemaakt, vertonen een verticale resolutie van ongeveer 250 meter en een horizontale resolutie van ongeveer 10 kilometer onder de vliegbaan van het vliegtuig.

"Deze verticale mogelijkheid is een belangrijke vooruitgang in het bestuderen van uitwisselingsprocessen in de tropopauze, "zei Fix. "Het helpt significante tekortkomingen te overwinnen bij het oplossen van de fijnschalige distributie die het moeilijk hebben gemaakt om processen te begrijpen die verantwoordelijk zijn voor uitwisseling in de tropopauze."

Energie-efficiëntie bereiken

Om deze methode aan boord van een vliegtuig uit te voeren, de onderzoekers gebruikten een zeer efficiënte optische parametrische oscillator (OPO) die ze eerder ontwikkelden om de laseroutput om te zetten in de UV-golflengten die nodig zijn om waterdamp en ozon te meten. "De conversie moet zeer energiezuinig zijn om UV-straling te genereren met voldoende pulsenergieën en een hoog gemiddeld vermogen van de beperkte energie die beschikbaar is aan boord van een vliegtuig, " legde Fix uit.

Tests van het nieuwe lidarsysteem toonden aan dat de nauwkeurigheid goed overeenkwam met die van ballonsondes. in 2017, de onderzoekers vlogen het nieuwe systeem aan boord van de wave-driven isentropic exchange (WISE) missie, waarbij meerdere langeafstandsvluchten over de Noord-Atlantische Oceaan en Noord-Europa betrokken waren. Ze ontdekten dat het instrument opmerkelijk goed werkte, bleef stabiel tijdens gebruik en kon karakteristieke ozon- en waterdampverdelingen in de tropopauze meten.

De onderzoekers zijn van plan om de nieuwe verticale componentgegevens die tijdens WISE zijn verkregen, te analyseren en te integreren in klimaatmodellen. Ze verwachten het instrument te gebruiken om gegevens over atmosferisch gas te verzamelen aan boord van toekomstige vluchten.