Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Atmosphärenphysik

Fachgebiet: Angewandte Physik

Betreuer: Prof. Dr. Franz-Josef Lübken



M.Sc. Jan Froh
(e-mail: froh@iap-kborn.de )

Entwicklung spektraler Messmethoden für Doppler-Lidar

Zur Untersuchung der mittleren Atmosphäre (10-100 km) wurde in dieser Arbeit ein kompaktes transportables Doppler-Lidar (≈ 1 m3) mit Tageslichtfähigkeit entwickelt und anhand erster Atmosphärenmessungen bestätigt. Mit diesem neuartigen System werden mit hoher zeitlicher, räumlicher sowie spektraler Auflösung die Mie-Streuung (Aerosole), Rayleigh-Streuung (Luftmoleküle) und die Resonanzfluoreszenz an freien Kalium-Atomen durchgängig über den gesamten Höhenbereich der mittleren Atmosphäre untersucht. Anhand der Doppler-Verschiebung und -Verbreiterung sowie der Signalstärke sind genaue Wind-, Temperatur- sowie Aerosolmessungen möglich. Hierzu wurden in dieser Arbeit neue spektrale Methoden entwickelt, bei denen ganze Doppler-Spektren untersucht werden. Ein neuartiger durchstimmbarer Alexandrit-Laser und verschiedene optische Filter wurden hierzu verwendet. Im Vergleich zu herkömmlichen Doppler-Lidars sind die spektralen Breiten um mehrere Größenordnungen reduziert, wodurch eine hohe Sensitivität für Wind, eine hohe Sichtbarkeit von Aerosolen sowie die Tageslichtfähigkeit erreicht wird. Das System wurde als Netzwerklidar entwickelt und wird zukünftig im Rahmen von VAHCOLI (Vertical And Horizotal Coverage by Lidar) als Verbund mehrerer solcher Geräte die Atmosphäre mehrdimensional untersuchen.

For coverage the middle atmosphere (10-100 km) a compact transportable Doppler lidar (≈ 1 m3) with daylight capability was developed in this work. First atmospheric measurements confirm the system performance. With this new system, the Mie scattering (aerosols), Rayleigh scattering (air molecules) and the resonance fluorescence of free potassium atoms are measured over the complete altitude range of the middle atmosphere with high temporal, spatial and spectral resolution. The analysing of the Doppler shift, Doppler broadening and signal strength allows accurate wind, temperature and aerosol measurements. In this work, new spectral methods were developed which examined complete Doppler spectra. A novel tunable alexandrite laser and various optical filters were used. Compared to conventional Doppler lidars, the spectral widths are reduced by several orders of magnitude which results in a high sensitivity for wind, high visibility of aerosols and daylight capability. The system was developed as a network lidar. In future, it will be used as part of VAHCOLI (Vertical And Horizotal Coverage by Lidar) in a network of several such devices for multidimensional measurements of the atmosphere.