Stratospheric aerosol extinction retrieved from SCIAMACHY measurements in limb geometry

Stratosphärische Partikel sind typischerweise mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmbar. Dennoch haben sie einen signifikanten Einfluss auf die Strahlungsbilanz der Erde und die heteorogene Chemie in der Stratosphäre. Kontinuierliche, vertikal aufgelöste, globale Datensätze sind daher essenziell für das Verständnis physikalischer und chemischer Prozesse in diesem Teil der Atmosphäre. Beginnend mit den Messungen des zweiten Stratospheric Aerosol Measurement (SAM II) Instruments im Jahre 1978 existiert eine kontinuierliche Zeitreihe für stratosphärische Aerosol-Extinktionsprofile, welche von Messinstrumenten wie dem zweiten Stratospheric Aerosol and Gas Experiment (SAGE II), dem SCIAMACHY, dem OSIRIS und dem OMPS bis heute fortgeführt wird. rnrnIn dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Algorithmus vorgestellt, der das sogenannte ,,Zwiebel-Schäl Prinzip\u27\u27 verwendet, um Extinktionsprofile zwischen 12 und 33 km zu berechnen. Dafür wird der Algorithmus auf Radianzprofile einzelner Wellenlängen angewandt, die von SCIAMACHY in der Limb-Geometrie gemessen wurden. SCIAMACHY\u27s einzigartige Methode abwechselnder Limb- und Nadir-Messungen bietet den Vorteil, hochaufgelöste vertikale und horizontale Messungen mit zeitlicher und räumlicher Koinzidenz durchführen zu können. Die dadurch erlangten Zusatzinformationen können verwendet werden, um die Effekte von horizontalen Gradienten entlang der Sichtlinie des Messinstruments zu korrigieren, welche vor allem kurz nach Vulkanausbrüchen und für polare Stratosphärenwolken beobachtet werden. Wenn diese Gradienten für die Berechnung von Extinktionsprofilen nicht beachtet werden, so kann dies dazu führen, dass sowohl die optischen Dicke als auch die Höhe von Vulkanfahnen oder polarer Stratosphärenwolken unterschätzt werden. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, welches mit Hilfe von dreidimensionalen Strahlungstransportsimulationen und horizontal aufgelösten Datensätzen die berechneten Extinktionsprofile korrigiert.rnrnVergleichsstudien mit den Ergebnissen von Satelliten- (SAGE II) und Ballonmessungen zeigen, dass Extinktionsprofile von stratosphärischen Partikeln mit Hilfe des neu entwickelten Algorithmus berechnet werden können und gut mit bestehenden Datensätzen übereinstimmen. Untersuchungen des Nabro Vulkanausbruchs 2011 und des Auftretens von polaren Stratosphärenwolken in der südlichen Hemisphäre zeigen, dass das Korrekturverfahren für horizontale Gradienten die berechneten Extinktionsprofile deutlich verbessert.Particles in the stratosphere, although usually undetectable by the human eye, influence climate and atmospheric composition significantly. Continuous data sets of stratospheric aerosol extinction profiles with good spatial and temporal coverage therefore provide essential information for the investigation of the radiative effect of aerosol particles as well as their role in heterogeneous chemistry. Already in 1978, measurements of the SAM II instrument formed the start of a data set that is continued to the present day by instruments like the SAGE II, the SCIAMACHY, the OSIRIS and the OMPS.rnrnThis thesis introduces a newly developed retrieval algorithm which applies an onion peeling approach to gain aerosol extinction profiles between 12 and 33 km. The algorithm is applied to radiances at individual wavelengths measured by the SCIAMACHY instrument. SCIAMACHY\u27s unique capability of alternating measurements in limb and nadir geometry provides collocated information with good vertical and horizontal resolution, respectively. This information can be used to improve the retrieval of volcanic plumes or polar stratospheric clouds. If for such plumes or clouds one-dimensional retrieval algorithms are used which assume a horizontal homogeneous distribution, the retrieved profiles would underestimate optical thickness and altitude. In this work three-dimensional radiative transfer simulations with horizontally resolved data sets account for horizontal gradients along the line of sight.rnrnComparison studies with SAGE II occultation measurements and balloon borne in-situ measurements with an optical particle counter indicate that the algorithm is very well capable of retrieving extinction profiles of stratospheric particles. Case studies on volcanic eruptions and polar stratospheric clouds show that the application of the three-dimensional correction method improves the retrieval results significantly