Development of a High-Power Water-Vapor LIDAR System on Mount Zugspitze

Wasserdampf ist der klimawirksamste Bestandteil der Atmosphäre und liefert mit einem Anteil von 2/3 den weitaus wichtigsten Beitrag zum gesamten Treibhauseffekt. Es wird heftig darüber diskutiert, in welchem Maß Wasserdampf dabei den hauptsächlich durch die Emission von Kohlendioxid verursachten anthropogenen Treibhauseffekt verstärkt. Insbesondere in der oberen Troposphäre reagiert das Klima außerordentlich empfindlich auf Änderungen der Wasserdampfverteilung, weil die Atmosphäre für die langwellige, vom Wasserdampf absorbierte Wärmestrahlung erst in diesen Höhen transparent wird, so dass eine direkte Abstrahlung in den Weltraum möglich ist. Es werden daher genaue Messungen der vertikalen Wasserdampfverteilung in der freien Troposphäre gefordert, um hier die zeitliche Entwicklung ermitteln zu können. Die bisher üblichen Messverfahren mit Radiosonden erwiesen sich dafür als zu unpräzise. Der Einsatz von LIDAR-Systemen bietet für derartige Messungen ein enormes Potential, allerdings muss die Messtechnik hierfür erheblich weiterentwickelt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines differentiellen Absorptions-LIDARs (DIAL), mit dem erstmals die vertikale Wasserdampfverteilung in der gesamten freien Troposphäre bis zu 12km Höhe mit dem von der Klimaforschung geforderten relativen Messfehler von weniger als 5% und einer vertikalen Auflösung von 50m bis 300m gemessen werden kann. Das Wasserdampf-DIAL beruht auf der Aussendung kurzer intensiver Laserpulse (hier: ca. 2ns, 250MW im nahen Infrarot (817nm) auf zwei verschiedenen Wellenlängen, die so gewählt sind, dass sie spezifisch von Wasserdampf absorbiert, beziehungsweise nicht absorbiert werden. Mit dem LIDAR-Empfänger wird zeitlich aufgelöst das aus der Atmosphäre zurückgestreute Licht analysiert. Aus der differentiellen Absorption und der Lichtlaufzeit, können anschließend Vertikalprofile der Wasserdampfkonzentration berechnet werden. Um die Anforderungen eines Messbereichs bis 12km Höhe auch bei Tageslicht und unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen zu erfüllen, wurde ein einzigartiges, weit abstimmbares Einmodenlasersystem entwickelt, welches gegenüber den bisher für solche Zwecke zur Verfügung stehenden Systemen eine erheblich höhere Pulsenergie liefert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde bereits die außerordentlich hohe Pulsenergie von 250mJ erzielt, die in der nachfolgenden Entwicklung noch bis auf etwa 700mJ gesteigert werden soll. Darüber hinaus zeichnet sich das hier entwickelte Lasersystem durch eine exzellente Schmalbandigkeit (200MHz), spektrale Reinheit (>99.9%)und Stabilität der Wellenlänge (+- 35MHz) bei einem gleichzeitig weiten Abstimmbereich von 750nm bis 950nm aus. Dies wird durch den Einsatz optisch parametrischer Oszillatoren (OPO) erreicht. Die zunächst noch schwachen Laserpulse aus den OPOs werden anschließend in einem regenerativen blitzlampengepumpten Titan:Saphir-Laserverstärker auf die Ausgangspulsenergie verstärkt. Das LIDAR-Empfangssystem besteht aus einem 0.65m großen Empfangsteleskop, einer Detektionseinheit mit einer Aufteilung in Nah- und Fernbereichskanäle und Avalanche-Fotodioden (APD), sowie einer Messwerterfassung mit Transientenrekordern. Als Standort für das System wurde die Umweltforschungsstation Schneefernerhaus auf der Zugspitze in 2675m Höhe gewählt. In dieser Höhe sind Messungen meist außerhalb der feuchten Grenzschicht und oberhalb der im Herbst und Winter häufigen Hochnebeldecke möglich. Das Wasserdampf-DIAL befindet sich im Test- und Validierungsbetrieb und hat seine Funktionstauglichkeit bereits unter Beweis gestellt. So konnte neben der Aufnahme von Wasserdampfprofilen mit der vollen Reichweite auch eine stratosphärische Intrusion im Feuchteprofil nachgewiesen werden. Der Schwerpunkt der Arbeiten bis zur Aufnahme des operationellen Betriebs liegt derzeit vor allem noch in der Weiterentwicklung der Auswertungsalgorithmen, wozu eine genauere Analyse der stark von Druck und Temperatur abhängigen Eigenschaften der Wasserdampfabsorptionslinien sowie vergleichende Messungen mit anderen Systemen (Radiosonden, Dropsonden, Messflüge, Fourier-Transformspektrometer) erforderlich sind. Darüber hinaus ist die Weiterentwicklung der Lasertechnik geplant. Neben der Aufnahme von Langzeittrends soll das neue Wasserdampf-DIAL auf der Zugspitze auch zur Untersuchung einzelner meteorologischer Ereignisse (stratosphärische Intrusionen) sowie der laufenden Validierung satellitengestützer Messsysteme dienen.Water vapor is the most climate relevant component of the atmosphere. It contributes 2/3 of the hole green house effect. The water vapor forcing of the antropogenic green house effect is hard discussed. Particularly changes of the upper tropospheric water vapor concentration have a large effect on the climate, because longwave infrared radiation is emitted to space from this region. Thus precise measurements of the vertical water vapor distribution in the free troposphere are needed. LIDAR-Systems have a great potential doing this, although there is a need to enhance the LIDAR techniques. The intention of this work is therefore the development of a differential-absorption LIDAR (DIAL) which should be able to measure the water vapor distribution throughout the hole free troposphere (up to 12km asl.) with a high accuracy (errors less than 5%) and a vertical resolution from 50m to 300m. The water vapor DIAL uses short and very intensive narrow band laser pulses (2ns, 250MW, 817nm, bandwith less than 220MHz) with two wavelengths, that are shot vertical into the sky, while the backscattered light is observed with a resolution in time. One wavelength is specifically absorbed by water-vapor while the other one is not absorbed. By analyzing the differential absorption, vertical water vapor profiles can be retrieved. In order to reach the hole range up to 12km asl. during daytime and under different atmospheric conditions, a unique widely tuneable single-mode laser system has been developed. Its pulse energy exceeds the pulse energies of common tunable single-mode lasersystems in one order of magnitude. As a result of this work, single-mode laser pulses up to 250mJ have been generated. Further plans shall increase the pulse energy up to 700mJ. Beyond this, the lasersystem provides excellent narrow band-width (200MHz), high spectral purity (>99.9%), high stability in wavelength (+- 35MHz) and a huge tuning range from 750nm to 950nm. This can be reached by the employment of optical parametric oscillators (OPO) and a pulse amplification in a high-power flash-lamp pumped titanium-sapphire laser amplifier. The LIDAR receifer is based on a 0.65m Newton-telescope, avalanche photo diodes and transient-recorders. The System was placed in the Schneefernerhaus Observatory on Mount Zugspitze (2675m asl.). Measurements in this altitude can be done above the moist planetary boundery layer and the autumn-winter fog layer most of the time. The water-vapor DIAL is now in a testing and validating mode and has proven its functional capability. Beside hole-range water vapor profiles, a stratospheric intrusion has been recorded. Before the normal operation will start, the main challange will be the development of the retrieval algorithms considering the complecated spectral structure of water vapor with all its impacts from temperature and pressure. Concerning this, validation measurements with other systems (radiosondes, dropsondes, aircraft, Fourier transform spectrometry (FTIR)) is planned. Beyond this the lasersystem should be developed further. The water vapor DIAL will be used to get long term time series of the upper tropospheric water vapor distribution, for case studies of single events of meteorological interest and the validation of space born measurement systems