Zukunftweisend

Um Treibhausgase in der Atmosphäre zu messen, schickten Grazer ForscherInnen Infrarotlaser-Signale von La Palma nach Teneriffa. Quelle: Wegener Zentrum, IAC Tenerife

Das über 144 Kilometer Strecke gemessene Lasersignal-Spektrum lässt sich mit Kohlendioxidabsorption sehr gut erklären, wodurch die CO2-Konzentration bestimmt werden kann. Quelle: Brooke et al. (2012)

Die WissenschafterInnen analysierten das Ausbreitungsverhalten und Fluktuationsmuster des Strahlbündels eines 200 mW starken Lasers. Quelle: Brooke et al. (2012)

Ein aus den Messungen abgeleitetes Spektrum der Fluktuationen des Laserstrahls aufgrund der Luftturbulenz zeigt, dass diese sehr gleichmäßig (isotrop) verteilt sind. Quelle: Gurvich et al. (2012)

Forschungen am Wegener Zentrum liefern Grundlagen für neue Möglichkeiten der Klimabeobachtung und der optischen Kommunikation

Messung von Treibhausgasen hat Feuerprobe bestanden

Am Wegener Zentrum für Klima und Globalen Wandel der Universität Graz haben ForscherInnen eine revolutionäre Methode entwickelt, die es erstmals erlaubt, Treibhausgas-Konzentrationen in der freien Atmosphäre von Satelliten aus mit Klimagenauigkeit zu messen. Ihre Feuerprobe hat die Theorie im Sommer des Vorjahres bei ersten Praxistests auf den Kanarischen Inseln bestanden. Die UNIZEIT berichtete in der März-Ausgabe 2012 darüber. Die erste Detailauswertung der Messergebnisse wurde kürzlich im renommierten Fachjournal „Atmospheric Measurement Techniques“ publiziert.

Mitte Juli 2011 hatten die Grazer WissenschafterInnen unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr. Gottfried Kirchengast zusammen mit einem internationalen Team mit ersten Messungen vom Boden aus die Probe aufs Exempel gemacht. Von einer Sendestation am Kraterrand des Roque de los Muchachos auf La Palma schickten sie Infrarotlaser-Signale über 144 Kilometer zu einem Teleskop der ESA im Observatorium del Teide auf Teneriffa. Gemessen wurden die zwei wichtigsten Treibhausgase – CO₂ und Methan.
Es folgte die detaillierte wissenschaftliche Auswertung der Ergebnisse, die mit gleichzeitigen Bodenmessungen an der Sende- und der Empfangsstation verglichen wurden. Sie bestätigte, was die ForscherInnen nach den ersten Rohauswertungen erhofft hatten: Die Infrarotlaser-Okkultation ist in der Lage, präzise Messdaten zur Treibhausgaskonzentration in der freien Atmosphäre zu liefern. „Natürlich konnten wir mit diesem einfach angelegten ersten Experiment nur eine grundsätzliche Demonstration machen, dass die Methode funktioniert. Aber sie hat das Potenzial, zu einer Referenzmethode für das Klima-Monitoring im 21. Jahrhundert zu werden“, freut sich Kirchengast. Weitere Detailauswertungen werden folgen, ebenso wie Arbeiten in Richtung einer ersten Satellitenmission.

Wegweisende Beobachtung für die Optik

Die Messungen auf den Kanarischen Inseln führten – quasi nebenbei – zu einem weiteren Aufsehen erregenden Forschungsergebnis im Bereich der atmosphärischen Optik, das kürzlich in der Fachzeitschrift „Applied Optics“ publiziert wurde. Sie bestätigten erstmals experimentell für lange Distanzen die „Taylor’sche Hypothese der eingefrorenen Turbulenz“ aus dem Jahr 1938. Diese besagt, dass sich das durch die Luftturbulenz erzeugte Fluktuationsmuster von Lichtstrahlbündeln beim Weg durch die Atmosphäre gleich verhält wie bei Windstille, oder wenn es mit dem Wind „mitgeführt“ wird.

Gemeinsam mit KollegInnen aus Russland und England analysierten die Grazer WissenschafterInnen über die Distanz von 144 Kilometer das Ausbreitungsverhalten des Strahlbündels eines 200 mW starken Lasers und wie es in seiner inneren Struktur fluktuiert, wenn es durch Turbulenzen in der umliegenden Luft zu Intensitätsschwankungen kommt.

Von zukunftweisender Bedeutung ist diese Beobachtung vor allem für die Optik, die an neuen Möglichkeiten der Übertragung von Informationen mit Hilfe von Licht forscht – Stichwort: Optische Kommunikation. Infrarotsignale könnten die drahtlose Kommunikation revolutionieren, denn im Vergleich zu Radiowellen kann lässt sich damit aufgrund der viel höheren Frequenzen eine viel höhere Datenübertragungsrate erzielen. Die Kenntnis der Ausbreitungsbedingungen von Laserstrahlen über lange Distanzen ist eine entscheidende Voraussetzung für die Entwicklung erfolgreicher, fehlerfreier Anwendungen, da sie es ermöglicht, die Auswirkungen atmosphärischer Störungen, wie etwa Turbulenzen, genau einzurechnen.

Diese Arbeiten des Wegener Zentrums wurden von der Europäischen Weltraumorganisation ESA gefördert und sind Teil des Forschungsschwerpunkts Umwelt und Globaler Wandel.

Publikationen:
Brooke, J. S. A., P. F. Bernath, G. Kirchengast, and 14 further co-authors (2012),
Greenhouse gas measurements over a 144 km open path in the Canary Islands,
Atmos. Meas. Tech., 5, 2309-2319, doi:10.5194/amt-5-2309-2012
http://www.atmos-meas-tech.net/5/2309/2012/

Gurvich, A. S., M. E. Gorbunov, O. V. Fedorova, G. Kirchengast, V. Proschek, G. Gonzalez Abad, and K. A. Tereszchuk (2012),
Spatiotemporal structure of a laser beam over 144 km in a Canary Islands experiment,
Appl. Optics, 51, 7374-7383, doi:10.1364/AO.51.007374
http://dx.doi.org/10.1364/AO.51.007374

Gudrun Pichler

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