Millimeterwellen-Radiometrie stratosphärischer Spurengase unter Anwendung balancierter Kalibrierung

Richard Krupa
1997
Kurzfassung Millimeterwellen-Radiometrie stratosph rischer Spurengase unter Anwendung balancierter Kalibrierung Aus den thermischen Emissionsspektren zahlreicher atmosph rischer Spurengase lassen sich die H henpro le der Volumenmischungsverh ltnisse dieser Gase ermitteln. Eine wichtige Voraussetzung hierf r ist jedoch, da die detektierten Spektren mit einer ausreichenden Spektral-und Intensit tsau sung in einer Mindestbandbreite vorliegen. Die heute verf gbaren Echtzeitspektrometer bieten
more » ... ometer bieten bereits eine ausreichende Frequenzau sung und die geforderte Bandbreite. Das Hauptproblem f r die Millimeterwellen-Radiometrie stellt daher das Erzielen einer ausreichenden Aufl sung f r die zu messenden Intensit ten. W hrend das Rauschen durch den Einsatz besonders rauscharmer Empf nger und entsprechend langer Integrationszeiten reduziert werden kann, mu der Ein u systembedingter St rungen durch die Anwendung geeigneter Kalibriermethoden in m glichst hohem Ma e eliminiert werden. Die vorliegende Arbeit setzt sich mit den unterschiedlichen Kalibriermethoden zur Unterdr ckung des Ein usses der Gewinnschwankungen bei Radiometermessungen auseinander, mit dem Schwerpunkt auf den Auswirkungen der Nichtlinearit ten. Einer Einf hrung in die Thematik folgt eine Untersuchung der Ursachen und der Mechanismen, die bei zweipunkt-kalibrierten Messungen zu typischen auf Nichtlinearit ten beruhenden spektralen Artefakten f hren. Zur Vermeidung derartiger Strungen wurde eine neue balancierte Kalibriermethode entwickelt, die gegen ber der bisher h u g eingesetzten Referenzstrahlmethode zahlreiche Vorteile aufweist. Diese werden in einem direkten Vergleich beider Kalibrierverfahren er rtert. Die neuentwickelte Methode beruht auf einer internen, einstellbaren Referenzlast, die ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Ihr Funktionsprinzip wird erl utert und einige Beispielmessungen werden gezeigt, welche die Leistungsf higkeit und weitere Einsatzm glichkeiten dieser Referenzquelle belegen. Im Anschlu wird ein Me system f r 270-280 GHz vorgestellt, das insbesondere zur Erfassung der Chlormonoxidspektren entwickelt wurde und die neue Kalibriermethode nutzt. Abschlie end werden Emissionsspektren und die daraus gewonnen H henpro le atmosph rischer Gase wie Chlormonoxid, Ozon, Disticksto oxid und Salpeters ure vorgestellt, die mit diesem System w hrend zweier arktischer Me kampagnen aufgenommen wurden. Abstract Millimeter-wave radiometry of stratospheric trace gases applying balanced calibration technique From the thermal emission spectra of numerous trace gases it is possible to determine the vertical pro les of the volume mixing ratio of these gases. An important condition for this however is, that the detected spectra are available with su ciently high spectral and intensity resolutions in the large bandwidth required. The realtime spectrometers available today already possess the required high spectral resolution and bandwidth. Thus the main problem for millimeterwave radiometry is to achieve the required resolution for the intensities measured. While the noise could be reduced by the use of low noise receivers and a long enough integration time, the in uence of errors caused by the system has to be eliminated to the highest possible degree by the use of proper calibration methods. The present paper deals with di erent calibration methods used to suppress the in uence of the gain uctuations on radiometric measurements with a focal point on the e ects caused by nonlinearities. A short introduction is followed by an investigation of the reasons and mechanisms leading to typical artifacts in the two point calibrated spectra, which are due to nonlinearities in the system gain. To a void this kind of disturbance a new balanced calibration method was developed, which has several advantages in comparison with the frequently used reference beam method, as will beshown in a discussion. The new method is based on an internal adjustable reference load, which was also developed within the frame of the work presented. The principle of this load will be explained and some examples of measurements will be presented, which show its e ectiveness and refer to its additional applications. A measurement system for the 270-280 GHz frequency range developed using the new calibration scheme will then bedescribed. This system was mainly developed to detect chlorine monoxide spectra. In the conclusion, several emission spectra and the corresponding retrieved vertical mixing ratio pro les of atmospheric gases such a s c hlorine monoxide, ozone, nitric acid and nitrous oxide are presented, which h a ve been taken with this system during two recent arctic measurement campaigns. Inhaltsverzeichnis
doi:10.5445/ir/57097 fatcat:f54abrsejvgihmcb43vdzxaocq