Entwicklung eines miniaturisierten ballongetragenen Diodenlaser-Spektrometers zur Messung von stratosphärischen Methan- und Wasserdampfkonzentrationen

Methan (CH4) und Wasserdampf (H2O) spielen als wirksame Treibhausgase eine wichtige Rolle für das Klima. Insbesondere Veränderungen der Wasserdampfkonzentrationen in der unteren Stratosphäre und Austauschprozesse zwischen Troposphäre und Stratosphäre sind Gegenstand aktueller Forschung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein NIR-TDL (Near Infra-Red Tunable Diode Laser) Spektrometer entwickelt, das eine simultane Messung von CH4 und H2O mit hoher Zeitauflösung (1 - 10 s) erlaubt. Das Gerät ist speziell für Mitflüge auf vorhandenen Ballon-Nutzlasten konzipiert und wurde auf geringe Masse (ca. 25 kg) und geringe Leistungsaufnahme (ca. 40 W) optimiert. Zwei erste Messflüge wurden im Oktober 2001 und im September 2002 in Aire-sur-l'Adour, Frankreich, durchgeführt. Nach anfänglichen Problemen konnte im zweiten Flug eine weitgehend kontaminationsfreie H2O-Messung erreicht werden. Insbesondere in der unteren Stratosphäre liefern die Profile interessante Informationen über Mischungsprozesse zwischen troposphärischen und stratosphärischen Luftmassen. Für die rein stratosphärische Luft oberhalb 100 hPa wurde ein neuer Mittelwert der potenziellen Wasser-Mischungsverhältnisses 2[CH4]+[H2O] = 7.9 +/- 0.5 ppm bestimmt, der gut mit älteren Messungen und der postulierten stratosphärischen H2O-Anstiegsrate übereinstimmt. Das Spektrometer wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Umweltphysik Bremen und dem Physikalisch-Chemischen Institut Heidelberg entwickelt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung der Bordelektronik und der Software, der Auswertealgorithmen und der atmosphärenphysikalischen Interpretation der Daten