Spectrum Instrumentation Wind und Temperatur in 100 km Höhe – vom Boden gemessen

Test mit verschiedenen Lasern beim IAP an der Ostseeküste
Test mit verschiedenen Lasern beim IAP an der Ostseeküste

Das Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) kann jetzt die Atmosphäre auch tagsüber erforschen. Das brachte bereits neue Erkenntnisse.

Denn jetzt können Laserstrahl-Reflexionen einzelner Atome in 100 km Höhe trotz Tageslicht können erkannt werden. Dazu hat das IAP in Kühlungsborn an der Ostsee das weltweit einzige derartige mobile Instrument entwickelt, das bereits neue Erkenntnisse über die atmosphärischen Bedingungen in der Antarktis geliefert hat. Zentraler Bestandteil dieses neuen Systems sind ein Arbitrary Waveform Generator (AWG) und zwei Digitizer von Spectrum Instrumentation, weil sie extrem hohe Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Echtzeitfähigkeiten bieten.

Warum ist das entscheidend?

Die Messtechnik basiert auf Licht: Das Gerät schickt einen Laserstrahl in die Atmosphäre, um Temperatur und Windgeschwindigkeit in 100 km Höhe zu messen. Das funktioniert über das von dort reflektierte und am Boden aufgefangene Licht. Das zurückkommende Licht ist allerdings sehr schwach. Wenn nun am Tag die Sonne scheint, treten gegenüber der Nacht um den Faktor 100.000.000 höhere Störungen auf: Das reflektierte Licht wird vom hellen Hintergrund praktisch „geschluckt“. Das hat dem Doppler-Resonanz-LIDAR-Verfahren bisher Grenzen gesetzt.

Dennoch wurde es benutzt, um die verbreiterte Doppler-Linienbreite von Metallatomen mittels Resonanz-LIDAR-Systemen zu messen, z.B. die Kaliumresonanzlinie bei 770 nm und die Eisenresonanzlinie bei 372 nm oder 386 nm. Dazu wurde bisher für die Laser dieser LIDAR-Systeme Blitzlicht als optische Pumpe benutzt.

Dioden-gepumpter Alexandrit-Laser

Jetzt kommt im neuen Projekt zum ersten Mal ein hocheffizienter, abstimmbarer, Dioden-gepumpter Alexandrit-Laser zum Einsatz, der für die rauen Umgebungsbedingungen auf Forschungsschiffen und in Polarregionen deutlich besser geeignet ist. Mit dieser neuen Technologie reicht eine Konzentration von etwa einem Atom pro Kubikzentimeter für Temperatur- und Windmessungen in einer Entfernung von 100 km aus. In dieser Höhe ist der Luftdruck so niedrig, dass alternativ nur Raketen dorthin gelangen können.

»Das Ziel dieses Projekts ist es, mobile und möglichst kompakte Messsysteme zu bauen, die wir weltweit mitnehmen können«, sagt Projektleiter Dr. Josef Höffner. Diese Systeme sind für einen automatischen Betrieb konzipiert, unter extremen Bedingungen wie in der Antarktis. Ein Zugriff ist oft für lange Zeiträume nicht möglich. »Wir brauchen daher Komponenten, die zum einen die erforderliche Empfindlichkeit, Geschwindigkeit und Flexibilität bieten, zum anderen sehr zuverlässig unter den schwierigen Umgebungsbedingungen funktionieren«, so Höffner.

Die Messungen in diesem Projekt lassen sich über verschiedene Maßnahmen verbessern. Die erste ist die Unterdrückung des Hintergrundrauschens, etwa durch ein extrem kleines Sichtfeld bei hoher Auflösung und durch optische Filterung. Dies bedeutet, dass der Laser sowohl im Sichtfeld als auch bei allen Filtern stabilisiert werden muss. Der Laser selbst erfordert ein komplexes und schnelles Echtzeit-Stabilisierungssystem mit Nanosekunden-Timing. Dafür wird der Spectrum M2i.6012 Arbiträrgenerator benutzt, der 500 Impulse pro Sekunde erzeugt. Die Signale des rückgestreuten Lichts werden mit dem 16-Bit-Digitizer M4i.4421 von Spectrum mit 250 MS/s verarbeitet.

Die Bedingungen innerhalb des Lasers misst die 8-Bit-Digitizerkarte M4i.2221 mit 2,5 GS/s. Das System verarbeitet mehr als 1 GByte pro Sekunde, im Dauereinsatz über viele Monate, mit einer Reaktionszeit von etwa 1 ms nach der Verarbeitung der gemessenen Daten in Echtzeit. Insgesamt werden 21 Signale von einem am IAP entwickelten Softwarepaket verwaltet.

»Wir haben ein kompaktes, hochintegriertes System gebaut, mit schneller, flexibler Elektronik und Echtzeitfähigkeit. Dies ist eine beeindruckende Verbesserung gegenüber den bisherigen Messanlagen, die schwer zu handhaben und um ein Vielfaches größer waren«, sagt Dr. Höffner. »Unser altes System benötigte einen 10-Tonnen-Container mit 6 m Länge, was dank der Spectrum-Karten und des neuartigen Lasers auf ein 1500-kg-System geschrumpft werden konnte. Wir verkleinern die Vorrichtung zurzeit weiter, um eine 1-Meter-Box mit nur 250 kg zu bauen, mit der gleichen Elektronik und einem nochmal kompakteren und weiterentwickelten Laser.«