Spektrale Messung von Aerosolen vom UV bis NIR im Rahmen des MAPP Projektes (EURAMET)

Atmosphärische Aerosole entstehen durch natürliche Phänomene wie Salz aus Meeresgischt oder Sand aus Wüsten. Sie entstehen auch aus anthropogenen Quellen, wie der Verbrennung von Abfällen oder fossilen Brennstoffen. Je nach Art können sie die Erdoberfläche erwärmen oder abkühlen, die Wolkenbildung beeinflussen und Wetterverhältnisse verändern. Bodengebundene Instrumente können helfen, ihre Art zu bestimmen, benötigen aber verbesserte metrologische Verfahren, um ihre Auswirkungen auf den Klimawandel genau zu ermitteln.

Herausforderung

Die Reduzierung von Treibhausgasen ist entscheidend, um die globale Temperatur auf unter 1,5 °C über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Atmosphärische Aerosole haben jedoch ebenfalls eine bedeutende Auswirkung und stellen die größte Unsicherheitsquelle bei der Abschätzung des Klimawandels dar. Partikel aus menschlichen Quellen, wie Müllverbrennungsanlagen, sind meist dunkel, speichern Wärme und tragen so zur Erwärmung der Erde bei. Abgesehen von Waldbränden sind natürliche Aerosole, wie vulkanische Schwefelpartikel, im Allgemeinen heller und reflektieren Sonnenlicht, was zu einer Abkühlung führt. Modelle deuten darauf hin, dass letztere etwa die Hälfte der Treibhausgaswirkungen seit den 1880er Jahren ausgeglichen haben. Deshalb wurden sie vom Global Climate Observing System als „Essential Climate Variables“ (Wesentliche Klimavariablen) anerkannt.

Informationen darüber, wie alle Partikel in einer Atmosphäre-Säule Licht absorbieren oder streuen, werden durch Radiometer mit Fernerkundungstechniken erfasst. Diese messen die sogenannte „Aerosol Optical Depth“ (AOD) von der Erdoberfläche bis zur „Top of the Atmosphere“ (ToA), wo keine Aerosole mehr existieren. Sie werden anhand eines ToA-Werts kalibriert, der aus bodengebundenen Messungen an Hochgebirgsstandorten bei klarem Wetter extrapoliert wird. Nach ihrer Verlagerung an operative Überwachungsstandorte geht dabei jedoch die metrologische Rückführbarkeit verloren.

Im Jahr 2021 wurde ein neues Referenzspektrum entwickelt, das ToA-Werte auf Basis von Satellitenbeobachtungen bereitstellte – das „Spectral Solar Irradiance Sensor-1 Hybrid Solar Reference Spectrum“ (TSIS-1 HSRS) mit deutlich geringerer Unsicherheit im Vergleich zu früheren satellitengestützten Spektren. Dies machte bodengebundene Extrapolationen überflüssig und ermöglichte eine Kalibrierung der Instrumente im Labor mit vollständig SI-rückführbaren Messungen.

Auswirkungen

Seit vierzig Jahren liefert Gigahertz-Optik hochmoderne Instrumente, Software, Know-how und metrologische Lösungen für optische Messungen in der LED-Herstellung, Lasertechnik, Photomedizin, Bildsensorik, Solar- und Ozonanwendungen und vielen weiteren Bereichen. Der BTS-Sensor, der 300 nm – 1050 nm und 950 nm – 2150 nm abdeckt, ermöglichte nun auch Messungen oberhalb von 1700 nm, die zuvor nicht möglich waren. Gigahertz-Optik hat die neue Software in das Spektralradiometer integriert und erkennt die Unterstützung durch das MAPP-Projekt, PMOD/WRC und PTB für die Kalibrierung und Validierung der AOD-Messungen an. Die mittels laborgeprüfter Instrumente ermittelten AOD-Werte zeigten ebenfalls eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit Filterradiometern aus zwei atmosphärischen Netzwerken – mit Abweichungen, die deutlich innerhalb der von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) definierten Akzeptanzgrenzen lagen.