FU Berlin Digitale Dissertation
Steffen Frey : Laser-Fernerkundung der planetaren Grenzschicht Laser Remote Sensing of Planetary Boundary Layer Properties
|Zusammenfassung| |Inhaltsverzeichnis| |Ergänzende Angaben|

Zusammenfassung Über der Erdoberfläche bildet sich durch vertikale Konvektionsbewegungen und Reibung der horizontal strömenden Luft eine zwischen hundert und wenigen tausend Meter hohe turbulente Schicht, die planetare Grenzschicht. Natürliche und anthropogene Beimengungen vom Boden vermischen sich hier mit der Luft, verändern sich durch chemische Reaktionen und physikalische Prozesse und breiten sich aus. Das führt z.B. zur photochemischen Bildung von Ozon und Aerosol. In der planetaren Grenzschicht befindet sich der überwiegende Teil der Biosphäre, sie ist der Lebensraum des Menschen und eine bedeutende Naturressource für Industrie und Landwirtschaft. Das starke Anwachsen der Erdbevölkerung, die zunehmende Industrialisierung und die Zerstörung von Ökosystemen haben dazu geführt, dass die Menschheit die Zusammensetzung der Erdatmosphäre verändert und damit Einfluss auf komplexe Prozesse wie das Klima nimmt. Mit der Verschmutzung der Luft wird die Gesundheit von Menschen, Tieren und Pflanzen geschädigt. Um die chemischen und physikalischen Prozesse in der planetaren Grenzschicht zu verstehen, sind dreidimensionale Messungen der chemischen Zusammensetzung und physikalischer Parameter, wie Temperatur, Aerosolgrößenverteilung oder Lichttransmission, notwendig. Laser-Fernerkundungsmethoden sind für diese Studien ideal geeignet, denn sie liefern Zeitreihen von ortsaufgelösten Messdaten, mit denen die komplizierten räumlichen und zeitlichen Strukturen untersucht werden können. Neben der Messgröße wird auch die Entfernung zwischen Messpunkt und Gerät durch Laufzeitmessung der verwendeten kurzen Lichtpulse bestimmt. Das Messsignal wird gleichzeitig durch Wechselwirkungen der Laserstrahlung mit den Molekülen der Luft und den Partikeln des Aerosols beeinflusst. Die vergleichsweise starke Verschmutzung und die inhomogene Verteilung verschiedenster Beimengungen in der planetaren Grenzschicht bergen die Gefahr von systematischen Fehlern bei der Auswertung der spektroskopischen Messung. Die hier vorgestellte Arbeit befasst sich mit den Besonderheiten der Laser-Fernerkundung der planetaren Grenzschicht und der Anwendung der Daten. Am Anfang werden für das Messverfahren wichtigen Eigenschaften der Atmosphäre und ein Modell zur Simulation von Chemie und Ausbreitung von Luftschadstoffen diskutiert. Nach der Vorstellung der verwendeten Modelle der Lichtstreuung an Molekülen und Aerosolen werden im Anschluss die angewandten Laser-Fernerkundungsmethoden und die Auswertungsalgorithmen erläutert. Die Messungen für diese Arbeit wurden mit der Lidar-Station "Charité" im Zentrum Berlins und einem eigens für Grenzschichtmessungen entwickelten Gerät durchgeführt. Am Aufbau und Betrieb der Messstation war ich maßgeblich beteiligt. Das kombinierte Aerosol-Ozon-Wasserdampf-Lidar mit hoher Laser-Wiederholrate habe ich entwickelt. Des Weiteren wird in der Arbeit eine Methode zur kalibrationsfreien Temperaturmessung vorgestellt, die geeignet ist, bereits vorhandene Aerosol-Lidar nachzurüsten.

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Kapitel 1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 1.4 1.4.1 1.5 1.5.1 1.5.1.1 1.5.2 Kapitel 2 2.1 2.1.1 2.1.1.1 2.1.1.2 2.1.1.3 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 Kapitel 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.3.1 3.1.4 3.1.4.1 3.1.4.2 3.1.5 3.1.6 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.2.1 3.2.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.2.3 3.3.3 3.3.3.1 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 Kapitel 4 4.1 4.2 4.3 4.4

Deckblatt,Inhaltsverzeichnis Einführung Die planetare Grenzschicht Zusammensetzung der Atmosphäre Trockene Luft Wasser Aerosol Die Schichtung der Erdatmosphäre Luftdruck Lufttemperatur Stabilitaet der atmosphaerischen Schichtung Dynamik der Grenzschicht und Turbulenz Strahlungsbilanz Klimarelevanz von Spurengasen und Aerosol Luftchemie in der planetaren Grenzschicht Das photochemische Ausbreitungsmodell CALGRID Bestimmung meteorologischer Parameter mit CALMET Wirkung von Luftverunreinigungen auf Menschen und Pflanzen Laser-Fernerkundung Streuung von Licht in der Atmosphäre Streuung an Luftmolekülen Der Rayleigh-Streuquerschnitt Absorption Raman-Streuung Aerosol-Streuung Mie-Theorie Modell der Aerosol-Streuung Lichttransmission durch die turbulente planetare Grenzschicht Laser-Fernerkundungsmethoden Numerischer Umgang mit Rückstreusignalen Elastische Rückstreusignale Aerosol Depolarisation Spurengase Raman-Rückstreusignale Aerosol Spurengase Temperatur Das Doppler-Lidar Berechnung sekundärer Grössen Die Mischungsschichthöhe Die Sichtweite Aerosol-Grössenverteilung und Brechzahl Die Messgeräte Bestandteile eines Lidar Der Laser Sendeoptik Empfangsoptik Das Teleskop Tageslichtfilter Monochromator Interferenzfilter Detektoren und digitale Erfassung der Messdaten Infrastruktur Die Lidar-Station Charité Das Aerosol-Lidar der Charité-Station Spurengas-Lidar Der abstimmbare Zwei-Wellenlängen-Festkörperlaser Signalempfang und Erfassung Das Kilohertz-Lidar Vorteile und Grenzen hoher Pulswiederholraten Das Raman-Aerosol-Ozon-Wasserdampf-Lidar Laser und Drei-Wellenlängen-Sendeoptik Multispektrale Empfangsoptik Signalaufnahme Das 1-kHz-Absorptions-Lidar Der Ce:LiCaF-Ultraviolett-Festkörperlaser Ergänzende und Vergleichs-Messungen Fesselballonsystem Flugzeugmessungen In-Situ-Ozon- und Aerosol-Messungen der Charité-Station Berliner Luftgüte-Messnetz Die planetare Grenzschicht aus der Sicht des Lidar Aerosol Mischungsschichthöhe Spurengase Temperatur Zusammenfassung Verzeichnis verwendeter Symbole Literaturverzeichnis Danksagung, Lebenslauf, Publikationen

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Ergänzende Angaben:
Online-Adresse:	http://www.diss.fu-berlin.de/2002/208/index.html
Sprache:	Deutsch
Keywords:	Lidar, Aerosol, Ozon, Planetare Grenzschicht, Laser, Atmosphäre
DNB-Sachgruppe:	29 Physik, Astronomie
Klassifikation MSC:	86A10
Klassifikation PACS:	42.68.
Datum der Disputation:	03-Jun-2002
Entstanden am:	Fachbereich Physik, Freie Universität Berlin
Erster Gutachter:	Professor Dr. Ludger Wöste
Zweiter Gutachter:	Professor Dr. Klaus-Dieter Kramer
Kontakt (Verfasser):	steffen.frey@berlin.de
Kontakt (Betreuer):	woeste@physik.fu-berlin.de
Abgabedatum:	07-Oct-2002
Freigabedatum:	10-Oct-2002

 

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