Im Folgendem werden die wesentlichen Messprinzipien und die wichtigsten Messinstrumente unserer Arbeitsgruppe vorgestellt.

Messprinzipien

Die unten stehende Abbildung stellt den spektralen Absorptionskoeffizienten von Eis und flüssigem Wasser im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 2500 nm dar. Die Unterschiede in der spektralen Absorption werden für folgende Untersuchungen genutzt:

  • Bestimmung von optischen Eigenschaften von Wolken (optische Dicke, effektiver Radius) für Flüssig-, Eis- und Mischphasenwolken
  • Unterscheidung der verschiedenen Wolkenphasen (flüssig, Eis und Mischphase)
  • Unterscheidung der Wolken- und Oberflächeneigenschaften (z. B.: Flüssigwasserwolken über Meereis oder Ozeanoberflächen)

Die Wellenlängenbereiche, die von einigen unserer Instrumente abgedeckt werden, sind ebenfalls in der Abbildung dargestellt.

Die Grafik zeigt den Verlauf des spektralen Absorptionskoeffizienten von Eis und flüssigem Wasser im solaren Spektralbereich. Eine Verschiebung zu höheren Wellenlängen bei Eis ist vor allem bei etwa 1500 nm und 2000 nm zu sehen. Zusätzlich sind die Messbereiche von vier Messgeräten dargestellt. Grafik: André Ehrlich / Universität Leipzig
Spektraler Absorptionskoeffizient von Eis und flüssigem Wasser bei solaren Wellenlängen und den von verschiedenen Instrumenten abgedeckten Wellenlängenbereichen. Grafik: André Ehrlich / Universität Leipzig

Die Messung der spektralen Sonnenstrahlung ist mit Hilfe von Gitterspektrometern möglich (siehe Abbildung). Photonen unterschiedlicher Wellenlänge treten durch den Eintrittsspalt in das Spektrometer ein. Das Gitter streut die Strahlung, um Photonen unterschiedlicher Wellenlänge auf verschiedene Teile des Photodiodenarrays zu lenken.

Hier ist ein Querschnitt durch ein Gitterspektrometer gezeigt. Der Strahlengang ist vereinfacht dargestellt. Strahlung gelangt durch den Eingangsspalt zum Gitter, wird in seine spektrale Anteile aufgefächert und mit einem Photodiodenarray detektiert. Grafik: André Ehrlich / Universität Leipzig
Darstellung des Photonenwegs durch das Gitterspektrometer. Grafik: André Ehrlich / Universität Leipzig

Messgeräte

Spezifikation

Gemessene Größe: Strahldichte, Strahlungsflussdichte, aktinische Flussdichte
Sichtfeld: 1 – 2° (Strahldichte), 180° (Strahlungsflussdichte)
Wellenlängenbereich: 300 – 2200 nm, Halbwertsbreite: 2 – 3 nm (bis 900 nm), 9 – 15 nm (ab 900 nm)

Aufbau

Das Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem (SMART-Albedometer) wurde als modulares System zur Messung der spektralen Sonnenstrahlung (Strahlungsflussdichte, Strahldichte, aktinische Flussdichte) von luftgestützten Plattformen aus entwickelt. Getrennt nach beobachtetem Halbraum, gelangt Strahlung über einen optischen Einlass und optischen Fasern in zwei Spektrometer, die zusammen den Spektralbereich zwischen 300 nm und 2200 nm abdecken. Eine aktive horizontale Stabilisierung der optischen Einlässe wird zur Korrektur von Flugzeugbewegungen eingesetzt (Wendisch et al., 2001). Shutter ermöglichen Dunkelmessungen (thermisch induzierter Strom und elektronischer Offset), was für die NIR-Spektrometer notwendig ist.

Anwendungen

Das SMART-Albedometer wird seit vielen Jahren auf verschiedenen Plattformen (Polar 5 und 6, HALO, und auf geschleppten Plattformen wie SMART-HELIOS und AIRTOSS) eingesetzt. Dabei werden unterschiedliche wissenschaftliche Ziele verfolgt:

  • Ableitung der optischen Wolkendicke und des effektiven Partikelradius
  • Ermittlung spektraler optischer Schichteigenschaften Wolken
  • Identifizierung von Wolkenphasen
  • Abschätzung des Strahlungseffekte der Eiskristallform von Cirren
  • Messung der spektralen Oberflächenalbedo
  • Ableitung der Schneekorngröße
  • Ermittlung der Absorptionskoeffizienten von Aerosolschichten
Zwei Fotos zeigen die Anwendungsmöglichkeiten des SMART-Albedometers. Im oberen Bild sieht man die optischen Einlässe auf der Unterseite des Polarflugzeugs, auf dem unteren Foto eine Hubschrauber-Schleppsonde, in der SMART integriert ist. Fotos: André Ehrlich, Frank Werner
SMART-Albedometer eingebaut im Polarflugzeug (oben) und in einer Schleppsonde (unten). Fotos: André Ehrlich / Universität Leipzig, Frank Werner

Ausgewählte Publikationen

  • Krisna, T. C., Wendisch, M., Ehrlich, A., Jäkel, E., Werner, F., Weigel, R., Borrmann, S., Mahnke, C., Pöschl, U., Andreae, M. O., Voigt, C., and Machado, L. A. T., Comparing airborne and satellite retrievals of cloud optical thickness and particle effective radius using a spectral radiance ratio technique: two case studies for cirrus and deep convective clouds, Atmos. Chem. Phys., 18, 4439-4462, doi:10.5194/acp-18-4439-2018, 2018.
  • E. BierwirthM. WendischA. Ehrlich, B. Heese, M. Tesche, D. Althausen, A. Schladitz, D. Müller, S. Otto, T. Trautmann, T. Dinter, W. von Hoyningen-Huene, W., R. Kahn, Spectral surface albedo over Morocco and its impact on radiative forcing of Saharan dust, Tellus B 61 (2009), 252-269, doi:10.1111/j.1600-0889.2008.00395.x.
  • A. EhrlichE. BierwirthM. Wendisch, J.-F. Gayet, G. Mioche, A. Lampert, J. Heintzenberg, Cloud phase identification of arctic boundary-layer clouds from airborne spectral reflection measurements: Test of three approaches, Atmos. Chem. Phys. 8 (2008), 7493-7505, doi:10.5194/acp-8-7493-2008
  • M. WendischD. Müller, D. Schell, J. Heintzenberg, An Airborne Spectral Albedometer with Active Horizontal Stabilization, J. Atmos. Ocean. Technol. 18 (2001), 1856-1866, doi:10.1175/1520-0426(2001)018<1856:AASAWA>2.0.CO;2.

Spezifikationen

Gemessene Größe: Strahldichte, Strahlungsflussdichte
Sichtfeld: 1 – 2° (Strahldichte), 180° (Strahlungsflussdichte)
Wellenlängenbereich: 300 – 2200 nm, Halbwertsbreite: 2 – 3 nm (bis 900 nm), 9 – 15 nm (ab 900 nm)

Aufbau

Das COmpact RAdiation measurement System (CORAS) ist eine bodengebundene Version des SMART-Albedometers. Es ist ein modulares System zur Messung der spektralen Sonnenstrahlung zwischen 300 nm und 2200 nm. Es kann prinzipiell in verschiedenen Konfigurationen betrieben werden und misst auf- und abwärtsgerichtete Strahlungskomponenten. Die Abbildung zeigt den Geräteaufbau für die Konfiguration zur Messung der abwärtsgerichteten Strahldichte und  Strahlungsflussdichte. Die gesammelten Photonen aus optischen Einlässen werden über optische Fasern zum Spektrometersystem geführt, das aus vier Gitterspektrometern (zwei für jeden optischen Einlass) besteht. Das Gitter sorgt für eine spektrale Zerlegung der Strahlung, die dann von einem einzeiligen Photodiodenarray erfasst wird. Zwei optische Shutter werden betrieben, um das Dunkelsignal (thermisch induzierter Strom und elektronischer Offset) zu messen.

Die schematische Darstellung von CORAS zeigt zwei optische Einlässe, wie sie für die Messung der Strahldichte und der Strahlungsflussdichte verwendet werden. Die beiden Einlässe sind mit jeweils zwei Spektrometern verbunden, die den sichtbarer bis nahen Infrarotbereich und das kurzwellige Infrarot erfassen. Grafik: Marlen Brückner / Universität Leipzig
Die schematische Darstellung von CORAS zeigt zwei optische Einlässe, wie sie für die Messung der Strahldichte und der Strahlungsflussdichte verwendet werden. Die beiden Einlässe sind mit jeweils zwei Spektrometern...

Anwendungen

Das CORAS-Gerät wurde intensiv eingesetzt:

  • zur Messung der solaren Transmission auf dem Forschungsschiff Polarstern
  • zur Messung der spektralen Oberflächenalbedo über Schnee in der Antarktis
  • zur bodengebundenen Validierung von Messungen mit dem SMART-Albedometer

Publikationen

  • Brückner, M., B. Pospichal, A. Macke, and M. Wendisch, A new multispectral cloud retrieval method for ship-based solar transmissivity measurements, J. Geophys. Res. Atmos., 119 (2014), 11,338-11,354, doi:10.1002/2014JD021775.
  • Carlsen, T., Birnbaum, G., Ehrlich, A., Freitag, J., Heygster, G., Istomina, L., Kipfstuhl, S., Orsi, A., Schäfer, M., and Wendisch, M.: Comparison of different methods to retrieve optical-equivalent snow grain size in central Antarctica, The Cryosphere, 11, 2727–2741, doi:10.5194/tc-11-2727-2017, 2017.

Spezifikation

Gemessene Größe: Strahldichtefelder
Sichtfeld: 36° verteilt auf 1024 räumliche Pixel
Wellenlängenbereich:  400 – 970 nm verteilt auf 488 Kanäle, Halbwertsbreite: 1,3 nm

Das AisaEAGLE ist ein bildgebendes Spektrometer. Das Gerät misst spektrale Strahldichten in 1024 räumlichen Pixeln. Die räumliche und spektrale Dimension werden durch eine spezielle Optik aufgelöst, die das Bild auf einem zweidimensionalen (2D) Sensorchip abbildet. Durch die Bewegung der über dem Sensor vorbeiziehenden Wolken (bodengebundene Anwendung) oder, bei luftgestützten Messungen, der Bewegung des Sensors selbst, können multispektrale Bilder erzeugt werden.

Die Abbildung zeigt den Strahlengang innerhalb von AisaEAGLE. Die einfallende solare Strahlung wird durch eine Linse (Objektivoptik) und einen Eintrittsspalt aufgefangen. Eine Kollimationsoptik lenkt die Strahlung auf ein Gitter (Dispergierelement), wo sie in ihre spektralen Komponenten aufgeteilt wird. Die spektralen Komponenten werden auf den Detektor fokussiert, der aus einem CCD-Element (charge-coupled device) für die räumliche und spektrale Dimension besteht. Das Sichfeld des AisaEAGLE hängt von der Wahl des Objektivs ab, das für die Messungen verwendet wird.

Das Schema zeigt den Strahlengang der Photonen von der Eingangsoptik bis hin zum CCD Detektor. Grafik: Michael Schäfer / Universität Leipzig
Schema des Aufbaus von AisaEAGLE. Grafik: Michael Schäfer / Universität Leipzig

Anwendungen

Der AisaEAGLE wurde in den folgenden Kampagnen erfolgreich für Wolkenmessungen in einer luft- und bodengestützten Anwendung eingesetzt:

  •  SORPIC, VERDI (Alfred-Wegner-Institut-Eagle, Bremerhaven)
  •  MEGACITIES, CARRIBA, ACRIDICON-Zugspitze (Leipziger Institut für Meteorologie-Eagle, Leipzig)

Die Hauptziele beim Einsatz von AisaEAGLE während dieser/ weiterer Messkampagnen waren/ sind die Untersuchung von wolkenmikrophysikalischen Eigenschaften wie die optische Wolkendicke und im speziellen Fall von Zirren die wahrscheinlichste Eiskristallform. Wolkenmakrophysikalische Eigenschaften wie Wolkeninhomogenitäten und Wolkenschatten sind ebenfalls von großem Interesse bei den durchgeführten Untersuchungen.

Publicationen

  • Schäfer, M., Loewe, K., Ehrlich, A., Hoose, C., and Wendisch, M., Simulated and observed horizontal inhomogeneities of optical thickness of Arctic stratus, Atmos. Chem. Phys., 18, 13115-13133, doi:10.5194/acp-18-13115-2018, 2018.
  • Schäfer, M., Bierwirth, E., Ehrlich, A.Jäkel, E., Werner, F., and Wendisch, M., Directional, horizontal inhomogeneities of cloud optical thickness fields retrieved from ground-based and airbornespectral imaging, Atmos. Chem. Phys., 17, 2359-2372, doi:10.5194/acp-17-2359-2017, 2017. 
  • Schäfer, M., Bierwirth, E., Ehrlich, A.Jäkel, E., and Wendisch, M., Airborne observations and simulations of three-dimensional radiative interactions between Arctic boundary layer clouds and ice floes, Atmos. Chem. Phys., 15, 8147-8163, doi:10.5194/acp-15-8147-2015, 2015.
  • Schäfer, M.Bierwirth, E.Ehrlich, A.Heyner, F., and Wendisch, M., Retrieval of cirrus optical thickness and assessment of ice crystal shape from ground-based imaging spectrometry, Atmos. Meas. Tech., 6, 1855-1868, doi:10.5194/amt-6-1855-2013, 2013.
  • Bierwirth, E., Ehrlich, A.Wendisch, M., Gayet, J.-F., Gourbeyre, C., Dupuy, R., Herber, A., Neuber, R., and Lampert, A., Optical thickness and effective radius of Arctic boundary-layer clouds retrieved from airborne nadir and imaging spectrometry, Atmos. Meas. Tech. 6, 1189-1200, doi:10.5194/amt-6-1189-2013, 2013.

Spezifikation

Gemessene Größe: Strahldichtefelder
Sichtfeld: 36° verteilt auf 320 räumliche Pixel
Wellenlängenbereich:  970 – 2500 nm verteilt auf 254 Kanäle, Halbwertsbreite: 10 nm

Das AisaHAWK ist wie der AisaEAGLE ein bildgebendes Spektrometer. Das Gerät misst spektrale Strahldichten mit 254 Spektralbändern und 320 räumlichen Pixeln. In Kombination mit AisaEAGLE können räumlich hochaufgelöste 2D-Felder von mikrophysikalischen und optischen Wolkenparametern abgeleitet werden.

Zwei Fotos zeigen die im Flugzeug eingebauten Aisa-Kameras. Im linken Bild sieht man die Optiken der nach unten ausgerichteten Kameras. Das rechte Bild zeigt das Messsystem, wie es in die Flugzeugkabine integriert ist. Foto: Elena Ruiz-Donoso / Universität Leipzig
AisaHAWK Kamera zusammen mit AisaEAGLE eingebaut im Polarflieger des AWI. Foto: Elena Ruiz-Donoso / Universität Leipzig

Anwendungen

  • Ableitung von Profilinformationen konvektiver Wolken zur Untersuchung der Wolkenentwicklung (Phasenübergang und Tröpfchenwachstum) und zur Wolken-Aerosol-Wechselwirkungen

  • Mikrophysikalische und optische Charakterisierung von Zirren (Partikelgröße, Partikelform, optische Dicke)

  • Entwicklung von Fernerkundungsmethoden für arktische Grenzschichtwolken über Meereis- und Schneeflächen

  • Simultane Ableitung der optischen Eigenschaften von Wolken und Schnee (Korngröße) mit hoher räumlicher Auflösung, zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Wolken und Oberfläche

  • Validierung von Satellitenmessungen passiver Sensoren (z.B. MODIS) hinsichtlich der Fernerkundung von mikrophysikalischen Wolkenparametern und des globalen Energiehaushalts

Publikationen

  • Ruiz-Donoso, E., Ehrlich, A., Schäfer, M., Jäkel, E., Schemann, V., Crewell, S., Mech, M., Kulla, B. S., Kliesch, L.-L., Neuber, R., and Wendisch, M.: Small-scale structure of thermodynamic phase in Arctic mixed-phase clouds observed by airborne remote sensing during a cold air outbreak and a warm air advection event, Atmos. Chem. Phys., 20, 5487–5511, doi:10.5194/acp-20-5487-2020, 2020.
  • Ehrlich, A., Wendisch, M., Lüpkes, C., Buschmann, M., Bozem, H., Chechin, D., Clemen, H.-C., Dupuy, R., Eppers, O., Hartmann, J., Herber, A., Jäkel, E., Järvinen, E., Jourdan, O., Kästner, U., Kliesch, L.-L., Köllner, F., Mech, M., Mertes, S., Neuber, R., Ruiz-Donoso, E., Schnaiter, M., Schneider, J., Stapf, J., and Zanatta, M., A comprehensive in situ and remote sensing data set from the Arctic CLoud Observations Using airborne measurements during polar Day (ACLOUD) campaign, Earth Syst. Sci. Data, 11, 1853–1881, doi:10.5194/essd-11-1853-2019, 2019.

Spezifikation

Gemessene Größe: Stokes Vektor
Sichtfeld: 100° verteilt auf 1920 x 1080 räumliche Pixel
Wellenlängenbereich:  RGB

Aufbau

Die Polarisationskamera SALSA von Bossa Nova Technologies (Abmessungen: 80 mm × 80 mm × 100 mm) ist ein passives Polarimeter. Es handelt sich um ein zeitlich geteiltes Polarimeter. Um den Stokes-Vektor S zu messen, werden vier aufeinanderfolgende Messungen benötigt. In der in der Abbildung gezeigten Kompaktkamera passiert die einfallende Strahlung zunächst einen Farbfilter, bevor sie in das Objektiv (Typ: NMV-5M23 von Navitar, Brennweite: 5 mm, manueller Fokus, Irisblende) gelangt.

Der Polarisationszustandsanalysator (PSA) besteht aus zwei ferroelektrischen Flüssigkristallen (FLCs) und einem festen linearen Polarisator (Transmissionsachse relativ zur Horizontalen: 110°). Die Flüssigkristalle wirken jeweils als programmierbarer Phasenschieber, der erste mit einer Verzögerung nahe λ/2, der zweite mit einer Verzögerung nahe λ/4. Der Winkel der optischen Achsen der FLCs in Bezug auf die Horizontale kann zwischen 0 und 45 Grad umgeschaltet werden. Nach dem Passieren der PSA erreicht die Strahlung schließlich den CCD-Sensor (Typ: Basler avA1900-50gm, 1920 ×1080 Pixel).

Der schematische Aufbau der Kamera zeigt einen vereinfachten Strahlengang. Strahlung passiert einen Farbfilter und das Objektiv und gelangt über Polarisationselemente zum CCD Detektor. Grafik Tim Carlsen / Universität Leipzig
Schematischer Aufbau der SALSA Polarisationskamera. Grafik: Tim Carlsen / Universität Leipzig

Anwendungen

Bisher haben wir die SALSA Full Stokes Polarisationskamera für Messungen unter wolkenlosen Bedingungen verwendet, um charakteristische Merkmale der Rayleigh-Streuung innerhalb der Atmosphäre zu erfassen.

Publikationen

Carlsen, T., Ehrlich, A., Wendisch M., Characterization and calibration of a Full Stokespolarization camera, Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. Leipzig, Band 53(2015), 2015

Spezifikation

Gemessene Größe: Strahldichtefelder, HDRF
Sichtfeld: 180° (Fischaugenobjektiv) mit 3888 x 2592 oder 5568 x 3712 Pixeln
Wellenlängenbereich:  RGB

Wir verwenden Messungen mit kommerziellen Digitalkameras (Canon EOS 1D Mark III, Nikon D5) an Bord der Polarflugzeuge vom Alfred-Wegner-Institut. Die Kameras verfügen über einen CMOS-Sensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor), der drei Spektralkanäle (R, G und B) bereitstellt. Die Kameras verwenden ein Fischaugenobjektiv mit einem Sichtfeld von 180°, um Strahlungsfelder einer ganzen Hemisphäre zu messen. Daher ist es möglich, die an der Oberfläche reflektierte Strahlung unter allen Betrachtungswinkeln zu messen, um die HDRF und BRDF der Oberfläche abzuleiten. Dazu ist es notwendig, die Kamera sowohl radiometrisch als auch geometrisch zu kalibrieren. Die radiometrische Kalibrierung wird im Labor mit einer zertifizierten Strahlungsquelle durchgeführt. Die geometrische Kalibrierung ist aufgrund der Bildverzerrung durch den Photonenweg durch das Fischaugenobjektiv notwendig und verwendet Bilder des Nachthimmels (bekannte Sternpositionen) oder Fotos eines Schachbrettmusters aus verschiedenen Perspektiven.

Anwendungen

  • Ableitung der HDRF/BRDF von verschiedenen Oberflächen (Ozean, Meereis, Schnee) und Wolken
  • Klassifizierung von Oberflächentypen und Berechnung der Flächenanteile

Publikationen

  • Carlsen, T., Birnbaum, G., Ehrlich, A., Helm, V., Jäkel, E., Schäfer, M., Wendisch, M., Parameterizing anisotropic reflectance of snow surfaces from airborne digital camera observations in Antarctica, The Cryosphere, 14, 3959–3978, doi:10.5194/tc-14-3959-2020, 2020
  • Jäkel., E., Stapf, J., Wendisch, M., Nicolaus, M., Dorn, W., and Rinke, A., Validation of the sea ice surface albedo scheme of the regional climate model HIRHAM-NAOSIM using aircraft measurements during the ACLOUD/PASCAL campaigns, The Cryosphere, 13, 1695-1708, doi:10.5194/tc-13-1695-2019, 2019
  • A. Ehrlich, E. BierwirthM. Wendisch, A. Herber, and J.-F. Gayet, Airborne hyperspectral observations of surface and cloud directional reflectivity using a commercial digital camera, Atmos. Chem. Phys. 12 (2012), 3493-3510, doi:10.5194/acp-12-3493-2012.

Varioscan 3021 ST

Spezifikation

Gemessene Größe: Helligkeitstemperatur
Sichtfeld: 30° x 20° mit 240 x 360 Pixeln
Wellenlängenbereich: 8 –12 μm

Der Varioscan 3021 ST ist eine bildgebende thermische Infrarotkamera mit einer räumlichen Auflösung von 240 x 360 Pixeln. Sie misst die Helligkeitstemperatur im thermischen Spektralbereich von 8 μm bis 12 μm. Ihre thermische Auflösung bei 30°C beträgt +/ - 0.03 K und sie deckt einen Messbereich von -40°C bis 1200°C ab. Mit einer Messfrequenz von bis zu 130 Hz kann eine zeitliche Auflösung von 0.2 – 0.8 s erreicht werden.

Xenics Gobi-640-GigE

Spezifikation

Gemessene Größe: Helligkeitstemperatur
Sichtfeld: 35° x 27° mit 640 x 480 Pixeln
Spektraler Erfassungsbereich: 8 –12 μm

Die ungekühlte Wärmebildkamera Xenics Gobi-640-GigE erreicht Bildraten von 50 Hz bei einer Auflösung von 640 x 480 Pixeln. Sie misst die Helligkeitstemperatur im Wellenlängenbereich von 8 μm bis 14 μm mit einer Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) bei 30°C von 50 mK. Die IR-Kamera misst Temperaturen bis -20°C.

Anwendungen

  • Helligkeits-Temperatur-Profile von Wolken und Atmosphäre, und
  • Wolkenseitenprofile für die Berechnung der Wolkenentfernung

Publikationen

Siebert, S., Szodry, K.-E., Egerer, U., Wehner, B., Henning, S., Chevalier, K., Lückerath, J., Welz, O., Weinhold, K., Lauermann, F., Gottschalk, M., Ehrlich, A., Wendisch, M., Fialho, P., Roberts, P. F. G., Allwayin, N., Schum, S., Shaw, R. A., Mazzoleni, C., Mazzoleni, L., Nowak, J. L., Malinowski, S., Karpinska, K., Kumala, W., Czyzewska, D., Luke, E. P., Kollias, P., Wood, R., Mellado, J. P., Observations of aerosol, cloud, turbulence, and radiation properties at the top of the marine boundary layer over the Eastern North Atlantic Ocean: The ACORES campaign, Bull. Am. Meteorol. Soc., 102(1), E123-E147, doi:10.1175/BAMS-D-19-0191.1, 2021.

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