Luftbåren lidar-system klar til at forbedre nøjagtigheden af ​​klimaændringsmodeller

Forskere har udviklet et laserbaseret system, der kan bruges til luftbåren måling af vigtige atmosfæriske gasser med hidtil uset nøjagtighed og opløsning. Evnen til at indsamle disse data vil hjælpe forskerne med bedre at forstå, hvordan disse atmosfæriske gasser påvirker klimaet og kan hjælpe med at forbedre forudsigelserne om klimaændringer.

I tidsskriftet Optical Society Anvendt optik , forskere fra Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)—Tysklands nationale center for rumfart, energi- og transportforskning – beskriv, hvordan deres lidar-instrument blev brugt ombord på et fly til at opnå de første samtidige målinger af den lodrette struktur af vanddamp og ozon i tropopause-regionen af ​​atmosfæren. Forskerne siger, at det nye system måske endda kan være nyttigt til at overvåge atmosfæriske gasser fra rummet.

Tropopausen adskiller det overfladebaserede troposfærelag, hvor vejret finder sted, fra den overliggende stratosfære, der indeholder ozonlaget, der beskytter livet på Jorden mod skadelig stråling. Forskere ønsker at studere vanddamp og ozon i tropopausen, fordi fordelingen af ​​disse atmosfæriske gasser i dette lag spiller en afgørende rolle for jordens klima.

"Evnen til at detektere den vertikale struktur af vanddamp og ozon er afgørende for at forstå udvekslingen af ​​disse atmosfæriske gasser mellem troposfæren og stratosfæren, " sagde Andreas Fix, der ledede forskerholdet. "Disse målinger kan hjælpe os med at identificere fejl og usikkerheder i klimamodeller, som vil hjælpe med at forbedre forudsigelser af det fremtidige klima, hvilket er en af ​​de centrale udfordringer for vores samfund og økonomi."

Få et 3D-perspektiv

Atmosfæriske gasser kan vurderes med instrumenter fløjet ind i atmosfæren eller med data indhentet fra satellitter. Imidlertid, disse metoder har ikke været i stand til at give et fuldstændigt billede af atmosfærisk gasfordeling, fordi de enten mangler den vertikale komponent eller ikke giver høj nok opløsning. Selvom instrumenter, der bæres med balloner - kendt som ballonsonder - kan give højt opløste lodrette profiler, de tilbyder ikke detaljeret tidsmæssig opløsning og kan kun bruges på udvalgte steder.

For at løse disse problemer, forskerne udviklede et lidar-system, der bruger laserlys til at måle både ozon og vanddamp på samme tid. Deres tilgang, kaldet differential absorption lidar (DIAL), bruger to lidt forskellige UV-bølgelængder til at måle hver gas. UV-strålingen ved en bølgelængde absorberes for det meste af gasmolekylerne, mens det meste af den anden bølgelængde reflekteres. Måling af forholdet mellem de UV-signaler, der vender tilbage fra atmosfæren, muliggør beregning af en detaljeret gasprofil.

Gasprofilerne skabt ved hjælp af det nye lidar-system udviser en vertikal opløsning på omkring 250 meter og en vandret opløsning på omkring 10 kilometer under flyets flyvespor.

"Denne vertikale kapacitet er et væsentligt fremskridt i at studere udvekslingsprocesser i tropopausen, " sagde Fix. "Det hjælper med at overvinde væsentlige mangler ved at løse den fine skalafordeling, der har gjort det vanskeligt at forstå processer, der er ansvarlige for udveksling i tropopausen."

At opnå energieffektivitet

For at udføre denne metode ombord på et fly, forskerne brugte en højeffektiv optisk parametrisk oscillator (OPO), som de tidligere har udviklet til at konvertere laseroutputtet til de UV-bølgelængder, der er nødvendige for at måle vanddamp og ozon. "Konverteringen skal være meget energieffektiv for at generere UV-stråling med tilstrækkelige pulsenergier og høj gennemsnitseffekt fra den begrænsede energi, der er tilgængelig om bord på et fly, " forklarede Fix.

Test af det nye lidar-system viste, at dets nøjagtighed stemte godt overens med ballonsondernes. I 2017 forskerne fløj det nye system ombord på den bølgedrevne isentropic exchange (WISE) mission, hvilket involverede flere langdistanceflyvninger over Nordatlanten og Nordeuropa. De fandt ud af, at instrumentet fungerede bemærkelsesværdigt godt, forblev stabil under brug og kunne måle karakteristiske ozon- og vanddampfordelinger ved tropopausen.

Forskerne planlægger at analysere de nye vertikale komponentdata, der er erhvervet under WISE, og integrere dem i klimamodeller. De forventer at bruge instrumentet til at indsamle data om atmosfærisk gasinformation ombord på fremtidige flyvninger.