Messung von CO2-Saulengehalten in der Atmosphare mit Lidar-Methoden
Eine der fundamentalen Fragen der aktuellen Wissenschaft ist die Entschl\xfcsselung des globalen Kohlenstoff-Kreislaufs insbesondere vor dem Hintergrund des anthropogenen Einflusses durch die Emission gro\xdfer Mengen von CO2 in die Atmosph\xe4re. Aktuell gibt es keine Messsysteme, die die n\xf6tige Messgenauigkeit zur Bestimmung von Quellen, Senken und Fl\xfcssen atmosph\xe4rischen Kohlendioxids erreichen. \n\nIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der aktiven Fernerkundung atmosph\xe4rischen Kohlendioxids mittels Lidar theoretisch und experimentell untersucht. Im Vordergrund stand dabei die Entwicklung eines Differential-Absorptions-Lidars (DIAL). Der Aufbau und die Charakterisierung einer geeigneten Laserlichtquelle sowie einer pr\xe4zisen Wellenl\xe4ngen-Stabilisierung stellten zentrale Aspekte dar. F\xfcr ein einsetzbares System mussten dar\xfcber hinaus ein Empfangssystem, eine Steuerung und Datenerfassung sowie Systeme zur Analyse der Strahlqualit\xe4t aufgebaut werden. Da die atmosph\xe4rische R\xfcckstreuung im verwendeten Wellenl\xe4ngenbereich bei 1,57 \xb5m gering ist, wurde das System in der DIAL-Variante IPDA (Integrated Path Differential Absorption) verwirklicht, das statt der atmosph\xe4rischen R\xfcckstreuung den Laser-Reflex einer festen Oberfl\xe4che verwendet, womit der CO2-S\xe4ulengehalt entlang der Messstrecke bestimmt wird. Als Laserlichtquelle wurde ein Nd:YAG-gepumptes KTP-OPO-System mit alternierendem Injection Seeding durch zwei DFB-Laserdioden verwirklicht.\n\nSensitivit\xe4tsstudien anhand von numerischen Simulationen lieferten Informationen \xfcber geeignete Messwellenl\xe4ngen, \xfcber die maximal erreichbare Messgenauigkeit und \xfcber Anforderungen an das Messsystem. Es ergab sich, dass sich im Hinblick auf die untersuchten Aspekte die geforderte Genauigkeit im Subprozent-Bereich erreichen l\xe4sst, wobei h\xf6chste Anforderungen an die spektralen Eigenschaften der Laserlichtquelle gestellt werden. \n\nIn Testmessungen wurde die erreichbare Messgenauigkeit des entwickelten Labor-Prototypen untersucht. Es wurden St\xe4rken und Schw\xe4chen des aufgebauten Systems und der Messmethode herausgearbeitet. So zeigte sich insbesondere, dass die beim IPDA-Messprinzip notwendige Leistungsreferenz-Messung sowie die r\xe4umliche Laserstrahl-Qualit\xe4t als kritisch zu betrachten sind. Bei direkten Vergleichsmessungen mit einem In-situ-Ger\xe4t erreichte der Prototyp auf Anhieb eine Standardabweichung von 2 % bei einem Bias von unter 10 %. Die erreichte spektrale Qualit\xe4t der Laserstrahlung \xfcbertraf die aufgestellten Anforderungen. \n\nDiese Arbeit liefert einen Beitrag zum Fortschritt auf dem Gebiet der Entwicklung aktiver Systeme zur Fernerkundung atmosph\xe4rischen Kohlendioxids.