Bernd & Natalie

Bevor wir hier von unserer Arbeit berichten, sollten wir erklären, was überhaupt ein Lidar ist und wie es funktioniert. Keine Angst, das Prinzip ist eigentlich einfach. Wie man auf dem Bild sieht, besteht das System in wesentlichen aus zwei Teilen: der Laser sendet über einen Spiegel Licht nach oben in den Himmel. Das Licht wird in der Atmosphäre zurückgestreut und vom Teleskop aufgefangen, das es weiter zum Detektor leitet.

Schauen wir uns das System ein bißchen genauer an:

Der Laser

Das Herz des Systems ist ein Laser, in unserem Fall ein Xenon-Chlorid Excimer-Laser, der Pulse der Länge von 10 ns mit einer Leistung von 90 mJ aussendet. Er erzeugt eine Wellenlänge von 308 nm, also harte UV-Strahlung. Das ist die Wellenlänge, die von Ozon absorbiert wird - es handelt sich um ein Ozonlidar. Das Meßprinzip nennt sich "Differential Absorption Lider" (DIAL). Man benutzt zwei Wellenlängen, von denen eine vom Ozon absorbiert wird. Vergleicht man beide, kann man aus dem Unterschied auf den Ozongehalt schließen. Ein Teil des Lichts des Lasers wird von einer Raman-Zelle in die zweite Wellenlänge, 353 nm (ebenfalls ultraviolettes Licht), umgewandelt. Man kann dieses Laserlicht mit dem Auge also nicht sehen.

Auf den Bildern ist links der Laser zu sehen, der 308 nm-Licht erzeugt und rechts die Raman-Zelle, die einen Teil davon in 353 nm konvertiert. Unten ist die Optik abgebildet, die einen Teil des Lichtes in die Raman-Zelle spiegelt. Beide Wellenlängen werden dann in die Teleskophalle geführt. Wenn der Laser nicht läuft, ist der Ausgang in die Teleskophalle mit einem Backstein blockiert.

Das Teleskop

Beide Wellenlängen treten aus dem Laserraum nun in die Teleskophalle und werden von einem Spiegel senkrecht in den Himmel reflektiert. Das Laserlicht regt Moleküle in der Atmosphäre an, die das Licht in alle Richtungen streuen, unter anderem wird ein Bruchteil des Lichtes direkt nach unten zurückgestreut. Genau dieses Licht wird von einem Newton-Teleskop wieder aufgefangen, der zweiten wichtigen Komponente des Systems. Der Laser ist direkt über dem Teleskopspiegel angebracht. Der Spiegel mit 1 m Durchmesser fokussiert das Licht auf eine Glasfaser, die in den Detekorraum führt.

Auf dem Podest ist das Teleskop angebracht. Wenn das System nicht läuft, ist der Spiegel mit Styroporplatten geschützt.

Der Detektor

Im Detektor trifft das Licht zunächst auf einen sogenannten Chopper. Das ist eine Blende, die sich mit 200 Umdrehungen pro Sekunde dreht. Sie blendet einen Teil des Lichtes aus, um die empfindlichen Photomultiplier vor zu starker Beleuchtung zu schützen. Durch einen Strahlteiler und Spiegel werden die beiden Wellenlängen getrennt und auf zwei Photomultiplier gerichtet. Diese detektieren nun einzelne Photonen (Photonen sind "Lichtteilchen") und werden von einem Meßcomputer ausgelesen.

Auf dem linken Bild sieht man die Detektor-Box, an der vorne einer der Photomulitplier angebracht ist. Der Raum grenzt rechts direkt an die Teleskophalle. Das rechte Bild zeigt die Optik des Nachtsystems in der Detektorbox: Von unten kommt der Lichtstrahl, wird von einem Strahlteiler in die beiden Wellenlängen getrennt und auf die Photomultiplier rechts und links gerichtet.

Das Meßprogramm

Das Computerprogramm zählt immer fünf Minuten lang alle Signale des Photomultipliers (sog. Counts) zusammen. In dieser Zeit sendet der Laser 60000 Pulse aus. Sind die fünf Minuten erreicht, speichert er das Ergebnis in einer Textdatei, die wir dann auswerten können.

Auf dem Tisch ganz rechts steht der Etalon-Computer, der für das Justieren des Tageslichtsystems benötigt wird. Der Computer mit dem blauen Bildschirm steuert die Datenaufnahme. Mit dem Computer links davon werden die aufgenommenen Daten auf den Server kopiert und mit dem links davon wird daß Meß-Logbuch geschrieben. Zwischen dem Etalon- und dem Meßcomputer stehen die Chopper- und Strahl-Steuerung. Der kleine Fernseher auf dem Regal zeigt das Bild einer Webcam vom Dach und links davon steht die Elektronik, an die die Kabel vom Photomulitplier angeschalten sind.

Höhenprofil

Wie kommt man zu einem Höhenprofil? Der Laserpuls wird nach oben gesendet, er breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. In den unteren Kilometern wird das Licht als erstes gestreut und kommt direkt zum Teleskop zurück. Das Teleskop mißt also zuerst das rückgestreute Licht aus der unteren Atmosphäre. Das Licht, das weiter oben gestreut wurde, mußte einen längeren Weg zurücklegen und kommt deswegen etwas später an. Die Lichtgeschwindigkeit ist bekannt, die Zeit, zu der die Photonen ankommen, wird gestoppt und so kann man direkt aus der Zeit auf die Höhe umrechnen und erhält schließlich ein Profil, in dem jeder Höhe mit einer Auflösung von 100 m die gemessenen Counts zugeordnet wird.

Chopper und Filter

Die empfangene Intensität fällt mit der der Entfernung zum Quadrat ab. In niedrigen Höhen ist das Signal also sehr stark und in großen Höhen sehr schwach. Das ist schlecht für die Photomultiplier. Von sehr großen Intensitäten werden sie - wie das Auge - geblendet, so daß sie die schwachen Signale aus größeren Höhen, die gleich danach kommen, nicht mehr sehen können. Aus diesem Grund benutzt man den Chopper. Er blockiert die unteren Kilometer des Profils, um den Photomultiplier zu schützen. Will man in den unteren Höhen messen, so benutzt man einen Filter. Die drei Filter (das Signal, 10x abgeschwächt und 100x abgeschwächt) reduzieren das Signal, so daß man dann die Chopperhöhe entsprechend senken kann.

Der Chopper befindet sich in der Box ganz rechts. Er besteht einfach aus einer rotierenden Scheibe. Hat der von rechts kommende Strahl den Chopper passiert, wird er von einer Optik wieder aufgeweitet.

Tages- und Nachtsystem

Bei jeder Messung hat man einen Untergrund. Dies ist ein höhenunabhängiges Signal, das einfach immer da ist und von der Resthelligkeit des Himmels und von der Elektronik selbst stammt. Am Tag ist es erwartungsgemäß sehr viel größer als bei Nacht. Deswegen hat das Ozonlidar ein unabhängiges Tageslichtsystem. Das Nachtsystem kann erst benutzt werden, wenn die Sonne mehr als 5 Grad unter dem Horizont steht. Das Tageslichtsystem besitzt sehr enge Filter, sogenannte Etalons, die nur genau die Wellenlänge ausschneiden sollen, die wir auch messen wollen. Die Etalons funktionieren nur richtig, wenn das Licht exakt parallel ist. Für die größere Wellenlänge werden sogar zwei Etalons benötigt, die beide aufeinander abgestimmt werden müssen. Die genaue Justierung des Tageslichtsystems ist sehr schwierig und es hat noch nie wirklich zufriedenstellend funktioniert.

Wofür?

Was kann man aus den Messungen nun herauslesen? Wie der Name schon sagt, läßt sich daraus ein Ozonprofil berechnen. Die geographische Position des ALOMARs ist da besonders interessant. Es liegt nämlich direkt unter dem Rand des arktischen Polarwirbels, der eine bedeutende Rolle bei der Entstehung eines Ozonloches spielt. Aus den Meßdaten können wir außerdem auch ein Temperaturprofil bis in etwa 50 km Höhe bestimmen.

Es gibt noch mehr Lidarsysteme am ALOMAR, das RMR-Lidar, ein Natrium-Lidar, ein Troposphären-Lidar und viele weitere Instrumente, die alle Fragen aus der Atmosphärenphysik beantworten.