Spione für atmosphärische Schadstoffe und Treibhausgase: neue Satelliteninstrumente ermöglichen globalen Blick - Satellite Group Mainz
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Spione für atmosphärische Schadstoffe und Treibhausgase:
neue Satelliteninstrumente ermöglichen globalen Blick
Thomas Wagner
MPI Mainz & Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg
Mit Beiträgen von
S. Beirle, T. Deutschmann, C. Frankenberg, M. Grzegorski, M.F. Khokhar, S. Kühl, T. Marbach, K.
Mies, M. Penning de Vries, U. Platt, J. Pukite
Spione für atmosphärische Schadstoffe und Treibhausgase:
neue Satelliteninstrumente ermöglichen globalen Blick
Thomas Wagner
MPI Mainz & Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg
Mit Beiträgen von
S. Beirle, T. Deutschmann, C. Frankenberg, M. Grzegorski, M.F. Khokhar, S. Kühl, T. Marbach, K.
Mies, M. Penning de Vries, U. Platt, J. Pukite
Überblick
Motivation
Grundlagen Spektroskopie
Ergebnisse
Ausblick
Warum Spurenstoffmessungen?
Zusammensetzung der Luft
Warum Spurenstoffmessungen?
• Luftverschmutzung
-Sommersmog (Ozonsmog)
-Wintersmog, Saurer Regen, Waldsterben
• Klimawandel
-Treibhausgase
-Aerosole (Wolken!)
• UV-Schutz
-Ozonchemie der Stratosphäre
• Neugierde
-Faszination
-Entdeckung neuer Phänomene
Warum Satellitenmessungen?
Wunsch: ‘Überall alles messen’
=> Satellitenmessungen kommen dem
Ideal am nächsten
• Globale Beobachtung:
-entlegene Gebiete werden zugänglich
-Messungen mit ‘gleichem Maß’ über gesamter Erde
-globale Bilanzen und Budgets
• Blick von ‘außen’
Globales Netz von Ozon-Messstationen
=> Fast keine Stationen über dem Meer!
Warum Troposphärische Messungen?
(Troposphäre vom Boden bis in 8 bis 18 km)
• ‘Die Luft, in der wir leben’
• Entscheidende Phänomene in der Troposphäre:
-Wetter, Wolken
-80% der Atmosphärenmasse
-Emissionen atmosphärischer Spurenstoffe,
z.B. Kraftwerke, Industrie, Verkehr, Waldbrände, Vulkane, etc.
DOAS: ’Differentielle Optische AbsorptionsSpektroscopie’ A) Lambert-Beersches Gesetz: I = I 0 ⋅exp( −σ ⋅ c ⋅ l )
DOAS: ’Differentielle Optische AbsorptionsSpektroscopie’
A) Lambert-Beersches Gesetz: I = I 0 ⋅exp( −σ ⋅ c ⋅ l )
1
Lichtabschwächung durch
Ozon für UV-Licht bei 300nm
Wenn man die gleiche Menge
0.8
an Absorber addiert,
Relative Intensität
0.6
verringert sich die
Lichtintensität immer um das
0.4
gleiche Verhältnis!
0.2
0
0 2 4 6 8 10
Schichtdicke [km]
DOAS: ’Differentielle Optische AbsorptionsSpektroscopie’
A) Lambert-Beersches Gesetz: I = I 0 ⋅exp( −σ ⋅ c ⋅ l )
1
Lichtabschwächung durch
Ozon für UV-Licht bei 300nm
Ozonkonzentration:
0.8
ca. 8 Billionen (1012) Moleküle
Relative Intensität
0.6
Ozon pro / cm³
0.4
(zum Vergleich:
0.2
Luftkonzentration am Boden:
0
2.5*1019Moleküle /cm³
0 2 4 6 8 10
Schichtdicke [km]
DOAS: ’Differentielle Optische AbsorptionsSpektroscopie’
A) Lambert-Beersches Gesetz: I = I 0 ⋅exp( −σ ⋅ c ⋅ l )
1
Lichtabschwächung durch Aus der Intensitätsmessung kann
Ozon für UV-Licht bei 300nm
0.8 die Konzentration bestimmt werden
Relative Intensität
0.6
0.4
ln⎛⎜ I ⎞⎟
0.2
c= ⎝ I0 ⎠
0
0 2 4 6 8 10 l ⋅σ
Schichtdicke [km]DOAS: ’Differentielle Optische AbsorptionsSpektroscopie’
A) Lambert-Beersches Gesetz: I = I 0 ⋅exp( −σ ⋅ c ⋅ l )
In der Realität ist es sehr ähnlich....
Lichtquelle Spiegel
& Spektrograph
0.5 - 15 kmDOAS: ’Differentielle Optische AbsorptionsSpektroscopie’
In der Realität ist es sehr ähnlich....
Lichtquelle Spiegel
& Spektrograph
0.5 - 15 kmDOAS: ’Differentielle Optische AbsorptionsSpektroscopie’
Jessica Senzig
während Ihrer
Diplomarbeit an
unserem
InstitutDOAS: ’Differentielle Optische AbsorptionsSpektroscopie’
A) Lambert-Beersches Gesetz: I = I 0 ⋅exp( −σ ⋅ c ⋅ l )
Problem:
ln⎛⎜ I ⎞⎟
Das Licht wird nicht nur durch einen
Spurenstoff abgeschwächt, sondern
c= ⎝ I0 ⎠ durch viele verschiedene.
l ⋅σ ....zusätzlich durch Staub und Dunst.Anfänge der Spektroskopie
Joseph von Fraunhofer (1787-1826)
„Ich fand mit dem Fernrohre fast unzählig viele starke und
schwache vertikale Linien, die aber dunkler sind als der übrige
Teil des Farbbildes; einige scheinen fast schwarz zu sein “
• erste große achromatische Objektive für Fernrohre
• erste Verwendung von Beugungsgittern, erste absolute Wellenlängenbestimmung
• Bestimmung der Position von 234 der über 500 von ihm gefundenen Linien im
Sonnenspektrum; seine Benennung wird heute noch Verwendet
Von Joseph von Fraunhofer
selbst koloriertes
Sonnenspektrum, um 1814Gustav Robert Kirchhoff Robert Wilhelm Bunsen
1824 - 1887 1811 - 1899
in Heidelberg: in Heidelberg:
1854 - 1874 1852 - 1899
1859, in Berichten der Preußischen
Akademie der Wissenschaften:
Über die Fraunhoferschen Linien:
Kochsalzdampf absorbiert auch
dieselben von ihm emittierten Linien;
diese sind mit den Fraunhoferlinien in
der heißen Sonnenatmosphäre
identisch.Intensit t I( )
ln⎛⎜ I ⎞⎟
Meßspektrum
c= ⎝ I '0 ⎠
l ⋅σ '
'differentielle'
optische
I’ Dichte
0
O3-Absorption I
σ'
σ2
Cross section [arb. Units]
σ1
σdiff
NO2-Absorption
σ3
λ1 λ2 λ3
460 480 500 520 540
Wavelength [arb. Units]
Wellenlänge [nm]Satellitenspektrometer
Satelliten-Beobachtungsgeometrien
Frühe und (und immer noch sehr erfolgreiche)
Satelliteninstrumente:
Wettersatelliten (Bilder)
Das erste
Bild derErde
Tiros 1
1960
Bild im sichtbaren Bereich,
27.01.2006
http://www.bom.gov.au/weather/satellite/Sandsturm über dem Roten Meer
MODIS color image using 0.47, 0.55 &0.66 for blue green and redSeit 1995: spektrale Information mit moderater Auflösung
GOME (seit 1995), SCIAMACHY (seit 2002), OMI (seit 2004), GOME-2 (seit 2006)
=> Information zu vielen Troposphärischen Spurenstoffen
2.5
Spectral Irradiance [W/m2/nm]
Planck function for 5800K
2.0
1.5
1.0
GOME solar spectrum
0.5
0.0
300 400 500 600 700 800
Wavelength [nm]UV / vis (+NIR) Satelliteninstrumente
GOME on SCIAMACHY OMI on GOME-2
ERS-2 on ENVISAT AURA on METOP
1990 2000 2010 2020 2030
year
GOME-I
SCIAMACHY
OMI
GOME-II GOME-II GOME-IISet
DOASof Atmospheric Absorbers Identified in GOME Spectra
Satelliten-Auswertungen,
at the Satellite Group at the Institut für Umweltphysik
entwickelt während der letzten 10 Jahre O4
GOME & SCIA spectral properties
O3 UV OClO H2O
HCHO O2
0.6
Spectral albedo
0.4
0.2
Satellite group: http://satellite.iup.uni-heidelberg.de
0.0
300 400 500 600 700 800
Wavelength [nm]
SCIAMACHY:
SO2 NO2
BrO O3 vis 240 – 2300nm
=> CO, CH4, CO2GOME H2O Messungen
Einzelmessung
H2O slant column density [1e23 molec/cm²]GOME H2O Messungen
Einzelmessung
H2O slant column density [1e23 molec/cm²]GOME H2O Messungen
1 Orbit
H2O slant column density [1e23 molec/cm²]GOME H2O Messungen
1 Tag
H2O slant column density [1e23 molec/cm²]GOME H2O Messungen
3 Tage
H2O slant column density [1e23 molec/cm²]GOME H2O Messungen
1 Monat (August 1998)
H2O slant column density [1e23 molec/cm²]GOME H2O Messungen
1 Monat (Dezember 1998)
H2O slant column density [1e23 molec/cm²]H2O-Absorption
niedrig hoch
Thomas WagnerSO2-absorption
niedrig hoch
Fahim KhokharHCHO-Absorption
niedrig hoch
Thierry MarbachSCIAMACHY, 2003/04 Troposphärische NO2 Säulendichte Steffen Beirle NO2 VCD [1015 molec/cm²]
SCIAMACHY, 2003/04
Troposphärische NO2 Säulendichte
Was kann man weiter aus den ‚Bildern‘ lernen?
a) Noch genauer anschauen
b) Vergleich mit anderen ‚Bildern‘
c) Statistik, z.B. Korrelationen, Trends
d) Vergleich mit Modellen
Steffen Beirle NO2 VCD [1015 molec/cm²]Unsere Karten helfen, sauberere Arbeitsplätze zu finden!
Mainz
Heidelberg
Troposphärische NO2 VCD, SCIAMACHY
Steffen Beirle
NO2 VCD [1015 molec/cm²]SCIAMACHY, 2003/04 Troposphärische NO2 Säulendichte Steffen Beirle NO2 VCD [1015 molec/cm²]
Schiffs-Emissionen:
SCIAMACHY NO2
2003-2006,
2D hochpass-
gefilterte NO2 VCD
Steffen
Beirle
AMVER Schiffsverkehrsdichte
(% of total)Korrelation über Europa:
NO2 von Waldbränden:
Feuerhäufigkeit (ATSR) Troposphärische NO2 VCD
1997 1998 1999 2000 1997 1998 1999 2000
Jan. Jan.
Feb Feb
Mar Mar
Apr Apr
May May
Jun Jun
x1015 molec/cm2
(Steffen Beirle)NO2 von Waldbränden:
Korelation der NO2 VCD mit
Feuerhäufigkeit für verschiedene
Gegenden weltweit
South America
North America
Central Africa (east)
Indonesia
North Australia
Eastern Russia
Steffen BeirleAnthropogene Quellen: Wochenzyklus von NO2
US Eastcoast Europe Freitag Samstag Sonntag
1015molec/cm2
Beirle et al., Weekly cycle of NO2 by GOME measurements, ACP 3, 2225-2232, 2003rel. units Anthropogene Quellen: Wochenzyklus von NO2
(Steffen Beirle)Direkte Vergleiche, Trends für verschiedene Regionen der Welt
GOME (narrow mode) 1996 - 2002
NO2 VCD [1015 molec/cm²]Direkte Vergleiche, Trends für verschiedene Regionen der Welt
SCIAMACHY 2003 - 2004
NO2 VCD [1015 molec/cm²]Methanverteilung vom Satelliten gemessen
CH4 VCD from SCIAMACHY
C. Frankenberg, IUP Heidelberg
J.F. Meirink, KNMI, Utrecht
Science, March 2005
SCIAMACHY, Aug-Nov 2003Methanverteilung vom Satelliten gemessen
CH4 VCD from SCIAMACHY
C. Frankenberg, IUP Heidelberg
J.F. Meirink, KNMI, Utrecht
Science, March 2005
SCIAMACHY, Aug-Nov 2003
TM3 model, Aug-Nov 2003Differenz SCIAMACHY – Modell, Aug-Nov 2003
C. Frankenberg, IUP Heidelberg
Die größten Unterschiede
wurden über üppiger
Vegetation gefunden
Science, March 2005
MODIS Enhanced Vegetation IndexZusammenfassung – Ich hoffe, ich konnte zeigen daß: • Satellitenmessungen einen völlig neuen Blick auf unseren Planeten und seine Lufthülle ermöglichen • Insbesondere auch die schwachen Spurenstoffabsorptionen ‘sichtbar’ gemacht werden können • Satellitenmessungen wichtig sind zur Erforschung globaler Phänomene wie Klimawandel, Luftverschmutzung
Globale Temperatur- Die Zeitreihe der
Entwicklung (IPCC) UV / VIS / NIR
Satelliten-
instrumente (1995 -
2021) überdeckt eine
sehr interessante
Periode
1990 2000 2010 2020 2030
year
GOME-I
SCIAMACHY ?
OMI
GOME-II GOME-II GOME-IIGlobale Temperatur- Die Zeitreihe der
Entwicklung (IPCC) UV / VIS / NIR
Satelliten-
instrumente (1995 -
2021) überdeckt eine
sehr interessante
Periode
1990 2000 2010 2020 2030
year
GOME-I
Vielen Dank? für die
SCIAMACHY
OMI
Aufmerksamkeit!
GOME-II GOME-II GOME-IISie können auch lesen
