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Genaue Wasserdampf-Messungen für bessere Wetter- und Klimamodelle

26.02.2013
Neues PTB-Laser-Hygrometer für Forschungsflugzeuge beweist seine Eignung als Transfernormal.

Ein von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickeltes Luftfeuchte-Messgerät, das SEALDH-Laserhygrometer, hat sich beim Einsatz im Flugzeug bewährt und bringt alle Voraussetzungen mit, herkömmlichen Feuchte-Messgeräten als Transfernormal zu dienen. Dadurch ließe sich die Qualität von Luftfeuchtemessungen in der Erdatmosphäre – und damit auch von Klima-Modellrechnungen – verbessern.


Das Laser-Hygrometer der PTB absolvierte in einem Learjet 35A sieben Flüge und bestätigte dabei, dass es anderen Luftfeuchte-Messgeräten als Vergleichsstandard dienen kann. Ein solcher Standard – Metrologen sprechen von einem „Normal“ – ist notwendig, um die Aussagekraft von Messdaten zu erhöhen.
Foto: Rolf Maser, enviscope GmbH

Feuchtemessungen in der Atmosphäre sind von größter Bedeutung, weil Wasserdampf den atmosphärischen Strahlungshaushalt der Erde als wichtigstes natürliches Treibhausgas stark beeinflusst und somit entscheidend unser Klima bestimmt. Er ist zudem für Wetterphänomene wie Wolkenbildung und Niederschlag verantwortlich. Der atmosphärische Wassergehalt stellt daher in allen Klimamodellen, aber auch für die Wettervorhersage eine zentrale Größe dar, die exakt ermittelt werden muss, wenn man tragfähige Vorhersagen vom Wetter bis hin zu zukünftigen Klimaentwicklungen treffen will.

Doch den Wasserdampf bis in die obere Atmosphäre zu messen ist keine leichte Aufgabe, was dazu führt, dass sich Luftfeuchtemessungen, die von verschiedenen Forschungsprojekten mit unterschiedlicher Technik ermittelt werden, selbst im aufwendigen Laborvergleich bisher mitunter um mehr als 10 % unterscheiden [1]. Wolken-, Niederschlags- und auch komplexe Klimamodellrechnungen sollten jedoch auf möglichst exakten Messdaten beruhen, um aussagekräftig zu sein.

Um die Qualität der atmosphärischen Wasserdampfmessung zu erhöhen und für eine bessere Vergleichbarkeit zu sorgen, haben PTB-Wissenschaftler das rückführbare Laser-Hygrometer SEALDH entwickelt. SEALDH steht für Selective Extractive Airborne Laser Diode Hygrometer und funktioniert nach dem Prinzip der durchstimmbaren Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS). Der Einsatz im Flugzeug erfordert, dass es klein, leicht und vibrationsunempfindlich ist, viele Messungen in kurzer Zeit durchführen sowie autonom agieren kann [2], um sich beispielsweise dauerhaft zu überwachen oder nach Störungen wieder selbst in Betrieb zu nehmen. Doch SEALDH ist darüber hinaus auch selbstkalibrierend. Das ist ein deutlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Feuchtemessgeräten, die häufig und teilweise auch unter schwierigen Bedingungen, z. B. im Hangar, kalibriert werden müssen.

In einer wissenschaftlichen Mission auf einem Learjet 35A konnte SEALDH nun auch unter Feldbedingungen auf sieben Flügen seine Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen, nachdem es zuvor einen erfolgreichen Blindvergleich mit mehreren etablierten Flugzeughygrometern an der Umweltsimulationskammer des Forschungszentrums Jülich [3] absolviert hatte. Im Flugbetrieb bewies das Laser-Hygrometer eine Nachweisgrenze im ppm-Bereich, einen sehr großen Messbereich zwischen 25 ppm und 25 000 ppm Volumenanteil Wasser sowie eine exzellente zeitliche Auflösung deutlich unter einer Sekunde.

Darüber hinaus haben PTB-Wissenschaftler SEALDH mit dem nationalen Feuchtenormal der PTB verglichen und dabei eine mittlere Abweichung von unter 2 % erreicht. Diese Fähigkeiten sind die Basis, um SEALDH mittelfristig als Transfernormal zur Qualitätssicherung von Luftfeuchtemessungen in der Atmosphärenforschung einzusetzen.

Was bedeutet „rückführbar messen“?

An der Erforschung klimarelevanter Prozesse in der Atmosphäre arbeiten rund um den Globus zahlreiche Forschungsgruppen mit unterschiedlichen Messverfahren und unter verschiedenen Bedingungen. Um ihre Messergebnisse vergleichbar zu machen, wäre es sinnvoll, rückführbar zu messen. Das bedeutet: Die Messunsicherheit eines verwendeten Geräts im Vergleich zu einem bestmöglichen Standard muss bekannt sein. Einen solchen Standard könnte mittelfristig SEALDH darstellen, da es seine Eigenschaft als Transfernormal auch unter realen Flugbedingungen bewiesen hat und mit dem primären Feuchtenormal der PTB verglichen wurde. if/ptb

Ansprechpartner in der PTB

Prof. Dr. Volker Ebert, Dipl. Phys. Bernhard Buchholz
Fachbereich 3.2 Gasanalytik und Zustandsverhalten,
Telefon: (0531) 592-3200, E-Mail: volker.ebert@ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichungen
[1] H. Saathoff , C. Schiller, V. Ebert, D. W. Fahey, R.-S. Gao, O. Möhler, and the AQUAVIT Team, The AQUAVIT formal intercomparison of atmospheric water measurement methods, Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, EGU2008-A-10485, 2008,SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2008-A-10485 und D. Fahey, R. Gao: Summary of the AquaVIT water vapor inter-comparison: static experiments (2009), https://aquavit.icg.kfa-juelich.de/WhitePaper/AquaVITWhitePaper_Final_23Oct2009_...

[2] B. Buchholz, N. Böse, S. Wagner, V. Ebert: Entwicklung eines rückführbaren, selbstkalibrierenden, absoluten TDLAS-Hygrometers in kompakter 19“ Bauweise. AMA-Science, ISBN: 978-3-9813484-0-8, 16. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 201, 22. 5. 2012, Nürnberg, Germany, DOI: 10.5162/sensoren2012/3.2.3

[3] B. Buchholz, B. Kühnreich, H.G.J. Smit, V. Ebert: Validation of an extractive, airborne, compact TDL spectrometer for atmospheric humidity sensing by blind intercomparison. Appl Phys B, DOI 10.1007/s00340-012-5143-1, 2012

Imke Frischmuth | PTB
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de

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