Ballongestützte Messung
stratosphärischer Spurengase mit
differentieller optischer
Absorptionsspektroskopie
Dissertation
von
Frieder Ferlemann
Heidelberg, November 1998
I N A U G U R A L D I S S E R T A T I O N
zur
Erlangung der Doktorwürde
der
Naturwissenschaftlich Mathematischen
Gesamtfakultät
der
Ruprecht Karls Universität
Heidelb erg
vorgelegt von
Dipl.-Phys. Frieder Ferlemann
aus Marburg
Tag der mündl. Prüfung : 11. Novemb er 1998
Ballongestützte Messung stratosphärischer Spurengase mit
dierentieller optischer Absorptionssp ektroskopie
Gutachter : Prof. Dr. Ulrich Platt
Prof. Dr. Josef Bille
Zusammenfassung
Bromoxid ist ein Radikal, das neb en Chloroxid und Jo doxid entscheidend zur anthro-
p ogen verursachten katalytischen Zerstörung der vor ultravioletten Strahlen schützen-
den stratosphärischen Ozonschicht b eiträgt. Die Metho de der dierentiellen optischen
Absorptionssp ektroskopie erlaubt den empndlichen Nachweis dieses Spurenstos. Zur
Bestimmung der vertikalen Bromoxidverteilung wurde im Rahmen dieser Arb eit ein
Dopp elsp ektrograph für sichtbares und nahes ultraviolettes Licht sp eziell für den Ein-
satz auf Stratosphärenballons entwickelt.
Die vorliegende Arb eit stellt das Instrument, die Bromoxidauswertung, ein für DOAS
Messungen erstmals angewandtes Verfahren zur Interpretation von Reststrukturen,
eine Metho de zur Bestimmung von Konzentrationsprolen, sowie die vertikale Brom-
oxidverteilung dreier erfolgreicher Meÿüge vor.
Summary
Bromoxide is a radical which makes a ma jor contribution to the catalytic destruction
of the stratospheric ozone layer protecting from harmfull ultraviolett radiation. The
metho d of dierential optical absorption sp ectroscopy allows for the sensitive detection
of this trace gas. To measure the vertical concentration of bromoxide an uv-/visible
sp ectrograph was develop ed esp ecially for the use on stratospheric ballo ons.
This work describ es the instrument, the bromoxide evaluation of the sp ectra, a metho d
to interpret residuals b eing used at rst for DOAS evaluation and gives the vertical
concentration of bromoxide during three ballo on ights.
Keywords:
DOAS, sp ectroscopy, stratospheric ozone, ozone depletion, bromoxide, bal-
lo on, photo dio de array, amplier, prole extraction, residual, principal comp onent ana-
lysis, regression
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung 1
1.1. Dierentielle optische Absorptionssp ektroskopie . . . . . . . . . . . . . 4
1.2. Ozonchemie in der Stratosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Instrument 11
2.1. Photo dio denzeile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2. Vorverstärker ................................ 16
2.3. Simulation des Vorverstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4. Integrator .................................. 19
2.5. Oset des Detektors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6. Linearität des Detektors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7. Rauschen des Detektors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8. MC 68332 Einplatinenrechner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.9. Instrument-PC ............................... 25
2.10.Bodenstation ................................ 26
3. Auswertung der Meÿsp ektren 29
3.1. Mo dellierung der Meÿsp ektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1. O
3
Referenz ............................. 29
3.1.2. NO
2
Referenz ............................ 31
3.1.3. O
4
Referenz ............................. 31
3.1.4. BrOReferenz ............................ 32
3.1.5. Fraunhoferreferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.6. Korrektur des Sp ektrographenstreulichtes . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.7. Polynom und Glättung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.8. Ringeekt .............................. 36
3.1.9. I
;
-Eekt ............................... 36
3.1.10.Dunkelstrom............................. 37
3.1.11.Oset ................................ 37
3.2. Ergebnisse der Sp ektrenauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.1. Fitko ezienten während der Meÿüge . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2. Bestimmung der Photo dio denkapazität üb er
2
......... 42
3.2.3. Dehnung der optischen Abbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.4. Verschiebung der optischen Abbildung . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.5. Sensitivität des BrO Fitko ezienten gegenüb er der Wellenlän-
geneichung der Referenzsp ektren . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.6. Fehlerabschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3. Sp ektrale Reststrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1. Reststrukturen während der Meÿüge . . . . . . . . . . . . . . . 47
ii
3.3.2. Interpretation der Reststrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.3. Hauptkomp onentenanalyse der Reststrukturen . . . . . . . . . . 54
3.3.4. Interpretation der Faktormuster . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.5. Lineare Regression der Faktorwerte . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole 67
4.1. Sichtgeometrie................................ 67
4.2. Flugtra jektorien des Balloninstrumentes . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3. BrO Säulendichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4. Schritte zur Prolb estimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5. Mittlere BrO Konzentration ob erhalb der Ballongipfelhöhe . . . . . . . 78
4.6. Direktlicht Luftmassenfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.7. Prolb estimmung üb er Invertierung der Luftmassenfaktormatrix . . . . 86
4.8. Alternative Verfahren zur Prolb estimmung . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.9. BrO Konzentrationsprole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.10. BrO Gesamtsäule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.11. Bisherige stratosphärische BrO Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5. Diskussion und Ausblick 102
A. Anhang i
A.1. Diplom- und Doktorarb eiten im Ballonpro jekt . . . . . . . . . . . . . . i
A.2.Programme ................................. i
A.3. Mikro controler für die Auslesung der Photo dio denzeile . . . . . . . . . ii
A.4.Schaltbilder ................................. v
A.5.Ozonsonden ................................. xix
A.6. Nachweisgrenze für die BrO Bestimmung üb er Resonanzuoreszenz . . xxii
Literaturverzeichnis xxvii
Inhaltsverzeichnis
iv
1. Einführung
Das atmosphärische Ozon ist für das Leb en auf der Erde von grundlegender Bedeutung.
In der Stratosphäre (ob erhalb etwa 10 km) ltert Ozon die energiereiche ultraviolette
Strahlung der Sonne und verhindert damit dessen Vordringen zur Erdob eräche. Ozon
ermöglicht dadurch das Leb en in der uns b ekannten Form.
Geringere Ozonkonzentrationen in der Stratosphäre führen für den Menschen direkt
zu einem höheren Hautkrebsrisiko. Darüb erhinaus wirkt sie sich negativ auf Wachstum
und Gesundheit von Panzen, Tieren und Mikro organismen aus. In der Trop osphäre
ist Ozon als Bestandteil des Sommersmogs b ekannt, erhöhte Konzentrationen dieses
reaktiven Spurenstoes führen zu gesundheitschädlichen Auswirkungen inb esondere
auf die Atemwege.
Seit Mitte der 70er Jahre [
Molina und Row land
1974] ist b ekannt, daÿ das üb er-
wiegend durch anthrop ogene Quellen in die Stratosphäre gelangende Chlor an einem
katalytischen Ozonabbau teilnimmt. Wenig später wurde durch
Wofsy et al.
[1975] auch
ein Beitrag von Brom für den katalytischen Ozonabbau p ostuliert. Der prognostizierte
Ozonabbau war zwar umstritten, erregte mit einer geschätzten Gröÿe von 1020%
innerhalb der nächsten 50100 Jahre jedo ch wesentlich weniger Aufmerksamkeit als
die 1972 durch den Club of Rome publizierte Knappheit anderer Resourcen.
Völlig üb erraschend wurde 1984 durch Farman [1985] eine Reduktion der Ozonkon-
zentration üb er der Antarktis gemessen, die mit etwa 40% weit üb er dem erwarteten
Abbau lag, der Begri stratosphärisches Ozonlo ch wurde geprägt. Der Ozonabbau
war, wie die seither intensiv b etrieb ene Forschung herausstellte, unter den extremen
Bedingungen der Stratosphäre im p olaren Winter und Frühling möglich. Der durch die
Emission von Fluorchlorkohlenwasserstoen (FCKW) stark erhöhte atmosphärische
Chlorgehalt setzte gerade unter diesen Bedingungen einen äuÿerst eektiven katalyti-
schen Ozonabbau in Gang.
Auch in mittleren nördlichen Breiten wird eine Abnahme der Ozonschicht b eob-
achtet. Die Intensität der ultravioletten Strahlung, gewichtet mit der Eektivität für
Schäden an der DNS, nimmt dab ei mit etwa 6.8%/Dekade zu [
Herman et al.
1996].
Die internationale Gemeinschaft hat auf den antarktischen stratosphärischen Ozon-
abbau aufgrund der industriell gefertigten FCKW mit dem Montrealer Protokoll 1987
und dem Kop enhagener Zusatzprotokoll [
UNEP
1992] durch das Verb ot der Pro duktion
dieser Substanzen für die industrialisierten Staaten ab 1994 reagiert.
1
1. Einführung
Durch die lange Leb ensdauer der FCKW, die unter anderem als Kühlmittel, als
Treibgas in Spraydosen und zum Aufschäumen von Kunststoen verwendet wurden,
erreicht die Chlorkonzentration innerhalb der nächsten 5 Jahre ihr Maximum in der
Stratosphäre. Das Maximum des Ozonabbaus in der arktischen und antarktischen Stra-
tosphäre wird mit einigen Jahren Verzögerung etwa zwischen den Jahren 2010 und 2019
erwartet [
Shindel et al.
1998]. Erst Mitte des nächsten Jahrhunderts sinkt die Chlor-
konzentrationen vorraussichtlich wieder auf Werte vor der Beobachtung des Ozonlo ches
[
Montzka et al.
1996].
Während die Bedeutung der Chlorchemie auf den Ozonhaushalt inzwischen als
weitgehend verstanden gilt, rückt der Beitrag der mit einer etwa 200-fach geringeren
Konzentration vorhandenen Bromverbindungen zunehmend in das wissenschaftliche
Interesse. Zum einen steigt der Anteil der bromierten Kohlenwasserstoe innerhalb der
halogenierten Kohlenwasserstoe weiter an [
Butler et al.
1998], zum anderen ist sp eziell
in der unteren Stratosphäre die Partitionierung des Broms auf die einzelnen Verbin-
dungen nur unzureichend b ekannt. Gerade dort ist der katalytische Ozonabbau üb er
Bromverbindungen b esonders eektiv. Der Anteil des durch bromierte Kohlenwasser-
stoe freigesetzten Broms am Ozonabbau wird auf etwa 1/4 bis 2/3 des wichtigsten
FCKW (CFCl
3
) geschätzt [
Butler et al.
1998].
Eine untere Grenze von etwa 1718 ppt für das Mischungsverhältnis
1
von Brom in
der Stratosphäre läÿt sich üb er Konzentration der Quellgase in der Trop osphäre ange-
b en [
Schauer et al.
1998;
Wamsley et al.
1998], die Quellgase sind jeweils etwa zur
Hälfte anthrop ogenen und natürlichen Ursprungs. Die ob ere Grenze für die gesamte
Bromkonzentration ist nicht direkt meÿbar, da Brom in mehreren Verbindungen vor-
liegt, von denen zur Zeit nur BrO und HBr nachgewiesen werden können.
Die dierentielle optische Absorptionssp ektroskopie (DOAS) [
Platt et al.
1979;
Platt
1994], die die atmosphärischen Konzentrationen von Spurenstoen üb er deren sp ezi-
sche Absorptionsstruktur b estimmt, erlaubt den empndlichen Nachweis von BrO,
welches in der Stratosphäre die tagsüb er häugste Bromverbindung darstellt.
Insb esondere durch die Konzentrationsb estimmung in groÿen Höhen, in denen die
Quellgase für Bromoxid vollständig photolysiert wurden, kann so eine Aussage üb er
die Brombilanz getroen werden.
Neb en der Kenntnis der Gesamtkonzentration aller Bromverbindung ist insb eson-
dere das Bromoxidprol in der unteren Stratosphäre von Bedeutung, da der Anteil des
Ozonabbaus üb er Bromoxid hier b esonders groÿ ist und nicht b ekannt ist, innerhalb
welcher Höhenschichten die Quellgase für Bromoxid ob erhalb der Trop opause pho-
tolysiert werden. Hierfür eignet sich sp eziell die ballongestützte DOAS Messung des
direkten Sonnenlichtes. Bisherige Messungen nach diesem Verfahren konnten die BrO
Konzentration nur unzureichend eingrenzen.
Zum Nachweis der äuÿerst geringen BrO Konzentrationen wurden im Rahmen dieser
Arb eit in Ko op eration mit dem Max-Planck Institut für Chemie in Mainz ein sp eziell
auf DOAS Messungen in der Stratosphäre abgestimmtes Instrument entwickelt. Bei der
Konzeption wurde b esonderer Wert auf die Stabilisierung der wichtigsten Apparate-
parameter, wie Druck, Temp eratur, Ausrichtung der Lichteinkopp elung und Konstanz
der optischen Abbildung gelegt. Die hierfür notwendigen Komp onenten inklusive der
Elektronik wurden eigens für die ballonsp ezischen Anforderungen entwickelt. Nach
1
Ein Mischungsverhältnis von 1 ppt entspricht einem Bromatom auf jeweils 10
12
Luftmolekülen
2
etwa zweijähriger Entwicklungszeit konnte das Instrument für den ersten Ballonug
eingesetzt werden.
Zur Analyse der mit diesem Instrument gemessenen Sp ektren wurde die DOAS
Auswertung um eine systematische Untersuchung ergänzt, die eine Interpretation no ch
verbleib ender Reststrukturen ermöglicht.
Das Balloninstrument war zunächst zusammen mit 11 anderen Meÿinstrumenten
für den Einsatz auf einem stratosphärischen Höhenugzeug Strato 2c im Rahmen eines
vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie nan-
zierten Pro jektes vorgesehen. Nach technischen Problemen b ei dem Flugzeug selbst,
die zu nicht absehbaren Kostensteigerungen führten, stand das Flugzeug nicht mehr
zur Verfügung.
Die Universität Heidelb erg sowie das Max-Planck Institut für Chemie in Mainz,
gemeinsame Pro jektnehmer für die Strato 2c, wichen auf einen unb emannten Strato-
sphärenballon aus. Mit Dr. Camy-Peyret vom Institut Pierre et Marie Curie, Paris,
konnte hierzu ein französischer Ko op erationspartner gefunden werden. Durch die
Kombination mit einem existierenden Fouriertransformations-Infrarot-Sp ektrographen
[
Camy-Peyret et al.
1995] steht jetzt eine Sp ektrographenplattform zur Verfügung,
deren Meÿb ereich ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht umfaÿt.
Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in die Meÿmetho de der dierentiellen opti-
schen Absorptionssp ektroskopie und die stratosphärische Ozonchemie. Kapitel 2 stellt
das Meÿinstrument vor. Der Schwerpunkt liegt dab ei auf der Beschreibung der elektro-
nischen Komp onenten. Kapitel 3 b eschreibt die Auswertung der Meÿsp ektren. Neb en
der sp eziell auf die Bromoxidmessung abgestimmten Auswertung ndet sich hier
eine Metho de zur systematischen Untersuchung von sp ektroskopischen Reststruktu-
ren. Kapitel 4 gibt einen Üb erblick üb er drei Flüge und nimmt eine Umrechnung der
in Kapitel 3 b estimmten BrO Säulendichten in Konzentrationsprole vor. In Kapitel 5
folgt eine Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse.
3
1. Einführung
1.1. Dierentielle optische Absorptionssp ektroskopie
Bei der Absorptionssp ektroskopie wird die Abnahme der anfänglichen Lichtintensität
I
;
nach Durchlaufen eines Lichtweges
L
durch das Lamb ert-Beer'sche Gesetz b eschrieb en:
I
(
l ;
) =
I
;
(
)
e
R
L
0
P
Absor ber
i
i
(
;p;T
)
n
i
(
l
)
dl
(1.1)
Hierb ei b ezeichnen
i
die Wirkungsquerschnitte der Absorb er im Lichtweg b ei der
Wellenlänge
, dem Druck
p
und der Temp eratur
T
und
n
i
die Konzentration der
Absorb er. Der Logarithmus des Intensitätsquotienten wird als optische Dichte b ezeich-
net.
D
(
) =
ln
I
;
(
)
I
(
)
(1.2)
Da in der Atmosphäre zahlreiche Spurengase sowie Rayleigh und Miestreuung
zur Intensitätsänderung b eitragen und
I
;
oft nicht mit hinreichender Genauigkeit
b ekannt ist, wurde durch
Platt et al.
[1979,
Platt
[1994] die Metho de der
D
ierentiellen
o
ptischen
A
bsorptions
s
p ektrokopie (im folgenden als DOAS b ezeichnet) eingeführt. Bei
der DOAS wird der Wirkungsquerschnitt
in einen sich schwach mit der Wellenlänge
ändernden Wirkungsquerschnitt
b
und einen stark wellenlängenabhängigen Wirkungs-
querschnitt
0
unterteilt. Für die Auswertung wird nur der stark wellenlängenabhängige
Wirkungsquerschnitt
0
verwendet, da das Gesamtüb ertragungsverhalten des Systems
unb ekannt ist und sich die schwach wellenlängenabhängigen Wirkungsquerschnitte
b
einzelner Absorb er oft stark ähneln. Dies führt zur Denition der dierentiellen opti-
schen Dichte
D
0
. Die Abbildung 1.1 zeigt die verwendeten Gröÿen für einen einzelnen
Absorb er.
Unter Annahme einer konstanten Teilchenkonzentration
n
und konstantem
längs
des Lichtweges läÿt sich b ei einem einzigem Absorb er die Konzentration direkt b estim-
men:
n
=
D
0
(
)
0
(
)
L
(1.3)
Sind in einer Absorptionsstrecke mehrere Absorb er vorhanden, dann werden die-
jenigen Spurenstosäulendichten
S C D
i
=
R
L
0
n
i
(
l
)
dl
(Slant column densities - schräge
Säulendichten) gesucht, die die gemessene optische Dichte mit den Referenzsp ektren
im Sinne kleinster Fehlerquadrate optimal mo dellieren. Dazu wird in einem nichtlinea-
ren Fit b eispielsweise nach der Metho de von Levenb erg-Marquardt [
Levenberg
1944;
Marquardt
1963] die Lösung der Minimierungsaufgab e
k
ln
I
(
)
a
0
ln
I
;
(
0
)
P
(
)
Absor ber
X
i
S C D
i
0
i
(
0
)
k
2
!
=
M in
(1.4)
b estimmt. Veränderliche Ko ezienten des Fits sind neb en den Spurenstosäulen-
dichten
S C D
i
der einzelnen Absorb er die Ko ezienten des Polynoms
P
(
0
)
, das den
4
1.2. Ozonchemie in der Stratosphäre
σb
σ'
b
σ(λ) [cm2]
λ [nm]
D'
I'0
I0
a
Intensität
Abbildung 1.1.: Grundprinzip der DOAS. Es werden nur schmale Absorptionsbanden betrachtet. Der
dierentielle Absorptionsquerschnitt
0
entspricht der dientiellen optischen Dichte
D
0
(Aus [
Stutz
1996])
schwach wellenlängenabhängigen Anteil der Wirkungsquerschnitte approximiert und
der Fitko ezient
a
0
des Fraunhoferreferenzsp ektrums. Die nichtlinearen Parameter
des Fits sind in einem Polynom Q enthalten, das zum Ausgleich von Änderungen
der optischen Abbildung des Sp ektrographen b ei den Referenzsp ektren
0
=
Q
(
)
eine
Wellenlängenanpassung vornimmt. Ein an die Auswertung von DOAS Sp ektren ange-
paÿter nichtlinearer Fit [
Stutz
1996] ist in das Programmpaket MFC [
Gomer et al.
1993] integriert.
1.2. Ozonchemie in der Stratosphäre
Bereits 1926 war üb er die sogenannte Umkehrmetho de die Existenz einer Ozonschicht
mit einem Maximum in etwa 25 km Höhe nachgewiesen worden [
Goetz et al.
1934].
Wenig später schlug Chapman Reaktionsmechanismen zur Entstehung der stratosphä-
rischen Ozonschicht vor [
Chapman
1930].
Durch die Photolyse von Sauersto mit kurzwelligem ultraviolettem Licht entstehen
zwei einzelne Sauerstoatome, die üb er einen neutralen Stoÿpartner M mit je einem
Sauerstomolekül zu Ozon O
3
weiterreagieren können.
O
2
h
!
2
O
242
nm (1.5)
O
+
O
2
M
!
O
3
(1.6)
Reaktion (1.5) ndet vor allem in den ob eren Atmosphäre statt, in der unteren Atmo-
sphäre steht (vor allem wegen der Absorption durch Ozon) nicht genügend kurzwelliges
5
1. Einführung
Licht zur Verfügung. Die Impulserhaltung erfordert für Reaktion (1.6) einen Stoÿ-
partner M, so daÿ die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe exp onentiell
abnimmt.
Auch O
3
wird photolysiert (1.7) und der dadurch freigesetzte atomare Sauersto
mit O
3
rekombinieren kann (1.8), existiert ein natürlicher Ozonabbauprozeÿ, der die
Ozonkonzentration b egrenzt.
O
3
h
!
O
(
3
P
) +
O
2
(1.7)
O
(
3
P
) +
O
3
!
2
O
2
(1.8)
Aus dem Reaktionssystem 1.5 - 1.8 läÿt sich die Existenz einer Ozonschicht herlei-
ten, die hierdurch abgeleiteten Ozonkonzentrationen liegen jedo ch etwa 2-fach höher
als die in der Stratosphäre gemessenen Werte.
Weitere Ozonabbauprozesse werden durch katalytische Reaktionen verursacht, die
ähnlich folgendem Schema ablaufen:
X
+
O
3
!
X O
+
O
2
(1.9)
X O
+
O
!
X
+
O
2
(1.10)
Mit
X
= Cl, NO, OH, H, Br, I
Netto führt dies zu einem Abbau von
ungeradem
Sauersto (O
x
:= O und O
3
) und
ist eine katalytische Beschleunigung der ozonzerstörenden Reaktion 1.8.
O
3
+
O
!
2
O
2
(1.11)
Die katalytischen Ozonabbauzyklen können untereinander in Wechselwirkung tre-
ten, am Beispiel von Brom zeigt Abbildung 1.2 ein Diagramm kombinierter Ozonab-
bauzyklen.
Hierb ei wird atomares Brom zunächst durch Ozon oxidiert und daraufhin üb er einen
der Reaktionswege mit O, ClO, HO
2
o der NO
2
wieder zu atomarem Brom reduziert.
Das atomare Brom steht dann für einen erneuten Durchlauf des Ozonabbauzyklus zur
Verfügung.
Die Abbildung 1.3 zeigt ein Schema der atmosphärischen Bromchemie. Die Quel-
len des stratosphärischen Broms sind die in der Trop osphäre vorhandenen bromier-
ten Moleküle. Mit einem Mischungsverhältnis von etwa 10 ppt [
Lobert et al.
1995] ist
das vorwiegend durch Algen ab er auch teilweise industriell pro duzierte Methylbromid
CH
3
Br das wichtigste Quellgas. Rein anthrop ogene Quellgase sind die vollhalogenier-
ten Kohlenwasserstoe CBrF
3
, CBrClF
2
und CBr
2
F
4
mit einem trop osphärischen Vor-
kommen von jeweils 2.3
0.1, 3.5
0.1 und 0.45
0.03 ppt [
Butler et al.
1998]. Diese
bromierten Kohlenwasserstoverbindungen hab en ähnlich wie die FCKW (Fluor Chlor
Kohlenwasserstoe) typische trop osphärische Leb ensdauern von 2050 Jahren, so daÿ
ein b eträchtlicher Anteil in die Stratosphäre gelangt in der sie durch zunehmend kurz-
welligeres ultraviolettes Licht abgebaut werden und dort die Halogene freisetzen.
6
1.2. Ozonchemie in der Stratosphäre
HOBr
BrCl
Br
BrONO2
BrO
ClOO
NO2
HO
ClO
hv
hv
hv
hv
3
ClO
O
2
PSfrag replacements
O
(
3
P
)
Abbildung 1.2.: Brom Ozonabbauzyklen in der Gasphase (Nach [
Lary
1996a])
NO2
3
HBr
BrCl
HCl
ClO
HO2
HCHO
OH
NO, O
gase
Quell-
OH
HOBr
BrONO2
2
H O
HO2BrO
Br
PSfrag replacements
h
;
O
(
3
P
)
h
;
O
(
3
P
)
h
;
O
(
3
P
)
h
h
;
O
(
3
P
)
;
OH
O
(
3
P
)
Abbildung 1.3.: Atmosphärische Bromphoto chemie (Nach [
Lary
1996a])
7
1. Einführung
Abbildung 1.4.: Tagesverlauf der Brom Partitionierung [
Lary et al.
1996b].
Durchgezogene Linien: Partitionierung unter Berücksichtigung von Gasphasenchemie
Gestrichelte Linien: zusätzlich unter Berücksichtigung heterogener Chemie
Abbildung 1.4 zeigt eine Mo dellsimulation der Verteilung des Broms auf verschie-
dene Verbindungen in einer Höhe von 1819 km. Die reaktiven Bromverbindungen, das
sind die Bromverbindungen aus Abbildung 1.3 ohne die Quellgase, werden in dieser
Abbildung als BrO
y
b ezeichnet. Tagsüb er hat BrO unter Berücksichtigung heteroge-
ner Chemie (jeweils die gestrichelte Linien) den gröÿten Anteil am BrO
y
. Mit der
durch den Sonnenuntergang verringerten Photolyserate für BrONO
2
erfolgt ab ends
eine Konvertierung von BrO zu BrONO
2
. In dem hier gezeigten Mo dell erfolgt die
Zunahme der BrONO
2
Konzentration b ereits relativ früh, so wird gegen 18:00 Uhr
lokaler Zeit (Sonnenzenitwinkel SZW=80.5
) b ereits ein mehr als 1.5 fach höherer Wert
als mittags (SZW=34
) simuliert. Gegen 19:00 Uhr lokaler Zeit (SZW=91
) hat das
BrO Mischungsverhältnis b ereits auf etwa ein Drittel des Mittagswertes abgenommen
(Werte aus dem Diagramm entnommen).
Mo dellrechnungen in der Dissertation von
Harder
[1999] anhand von mit dem
Balloninstrument b estimmten Daten zeigen, daÿ die BrONO
2
Konzentration und die
ab endliche BrO Abnahme in dem Mo dell von
Lary et al.
üb erschätzt wird. Auch an
anderer Stelle ist das Verständnis der stratosphärischen Ozonchemie no ch unvollstän-
dig, so wurde durch
Renard et al.
[1997] in einer Höhe von 2325 km eine 2.8-fach
höhere nächtliche NO
2
Konzentration b estimmt als durch ein kombiniertes Chemie-
und Transp ortmo dell [
Lefevre et al.
1994] erwartet wird.
Während der Nacht wird BrONO
2
seinerseits auf Aerosolob erächen (
heterogen
) zu
HOBr umgewandelt, so daÿ morgens fast die gesamten reaktiven Bromverbindungen
8
1.2. Ozonchemie in der Stratosphäre
in der Form von HOBr vorliegen. HOBr ist ähnlich wie BrONO
2
relativ leicht photoly-
sierbar, so daÿ sich b ei aufgehender Sonne das photo chemisches Gleichgewicht relativ
schnell einstellt.
Im Gegensatz zu Chlor, für das mit HCl und ClONO
2
in der Stratosphäre rela-
tiv stabile Reservoirsubstanzen vorliegen, sind die reaktiven Bromverbindungen ver-
gleichsweise schnell photolysierbar. So b etragen die photo chemischen Leb ensdauern
von BrONO
2
und HOBr tagsüb er lediglich einige Minuten und HBr wird lediglich
mit einem Mischungsverhältnis von
1
:
31
0
:
39
ppt [
Nolt et al.
1997] b eobachtet. Das
Verhältnis
der Ozonabbaueektivität von Bromzyklen relativ zu den Chlorzyklen,
ist abhängig von der jeweiligen Situation typisch
(10
200)
-fach gröÿer als diejenige
von Chlor (Abbildung 1.6). Die extremen Werte bis üb er
10
3
für
in der unteren
Stratosphäre sind kaum von Bedeutung,. Obwohl BrO
y
insgesamt ein etwa 200-fach
geringeres Mischungsverhältnis als das reaktive Chlor aufweist, kann es insgesamt zu
etwa vergleichbaren Ozonverlustraten führen.
Abbildung 1.5.: Berechnete üb er 24 h gemittelte
O
x
Verlustraten (Mischungsver-
hältnis pro Sekunde) verschie-
dener chemischer Prozesse für
38
N im März [
Garcia und Solo-
mon
1994]
Abbildung 1.6.: Berechnete üb er 24 h gemittelte
Vertikalverteilung der Eektivi-
tät von Brom für den Ozonver-
lust relativ zu Chlor für 38
N im
März [
Garcia und Solomon
1994]
Abbildung 1.5 zeigt die den Ozonabbauzyklen zugeordneten O
3
Verlustraten. In der
unteren Stratosphäre unterhalb von etwa 17 km wird der Ozonabbau üb er Bromzyklen
zum zweitwichtigsten Abbauprozeÿ.
9
1. Einführung
Abbildung 1.7.: Hemisphärische und glo-
bale zweimonatliche Mit-
tel der trop osphärischen
Mischungsverhältnisse
von a) H-1301, b) H-
1211 and c) H-2402. Die
Daten sind entnommen
dem NOAA/CMDL Flask
Netzwerk (Quadrate), For-
schungsfahrten (Dreiecke)
und Zylindern mit archivier-
ter Luft (Rauten). Werte
der Nordhemisphäre sind
als schattierte Symb ole,
Werte der Südhemisphäre
als oene Symb olen und
globale Mittel als gefüllte
Symb ole dargestellt. [...]
[
Butler and Montzka
1998]
Die Bedeutung der Bromzyklen wird während der nächsten Jahre weiter steigen,
Während b ei den chlorierten Kohlenwasserstoen die Vereinbarungen des Montrealer
Protokolls [
UNEP
1992] weitgehend eingehalten zu werden scheinen, wird b ei den bro-
mierten Kohlenwasserstoen no ch keine Trendwende b eobachtet [
Butler et al.
1998].
Abbildung 1.7 zeigt die trop osphärischen Mischungsverhältnisse (pmol/mol
=
ppt) für
H-1301 (CBrF
3
), H-1211 (CBrClF
2
) und H-2402 (C
2
Br
2
F
4
) in den Jahren 1987-1997.
Während die Konzentrationen von H-1301 und H-2402 stagnieren, hält der Anstieg von
H-1211 mit einer Zuwachsrate von
0
:
16
0
:
016
ppt/Jahr unvermindert an.
Darüb erhinaus führt der sogenannte Treibhauseekt neb en einer Erwärmung der
Trop osphäre auch zu einer Abkühlung der Stratosphäre. Hierdurch wird nach Mo dell-
rechnugen von [
Shindel et al.
1998] ein Maximum des arktischen Ozonabbaus im Jahr-
zehnt von 2010 bis 2019 erwartet.
10
2. Instrument
Kapitel 2 gibt einen Üb erblick üb er das DOAS Balloninstrument. Der Schwerpunkt
liegt dab ei auf der Beschreibung der elektronischen Komp onenten. Eine detaillierte
Beschreibung des optischen und mechanischen Aufbaus wird in der Dissertation von
Harder
[1999], der Publikation von
Ferlemann et al.
[1998] und der Diplomarb eit von
Bauer
[1997] gegeb en. Eine Weiterentwicklung der hier verwendeten Lichteinkopp elung
ist in der Diplomarb eit von
Vradelis
[1998] b eschrieb en.
An der Lichteinkopp elung des DOAS Balloninstrumentes steht durch eine Strahl-
nachführung [
Hawat et al.
1995] direktes Sonnenlicht mit einer Genauigkeit der Aus-
richtung von etwa 1/60
zur Verfügung.
Abbildung 2.1.: Lichteinkopp elung (Durchmesser 12 mm) des UV-Sp ektrographen mit a) UG-5 Filter,
b) Linse, c) und d) Streuscheib e, e) Lochblende und f ) Quarzfaserbündel
In der Lichteinkopp elung für den UV-Sp ektrographen
1
nach Abbildung 2.1 passiert
das direkte Sonnenlicht zunächst einen UG-5 Filter (Abschnitt 3.1.6) und wird dann
üb er eine Linse auf eine Streuscheib e abgebildet. Die Abbildung erfolgt unscharf mit
einer Bildweite 38 mm b ei einer Brennweite der Linse von f =50 mm um eine Üb er-
hitzung der Streuscheib e zu vermeiden. Nach einer zweiten Streuscheib e, die das Licht
weiter homogenisiert, und einer Lo chblende gelangt das Licht auf ein Quarzfaserbündel
von 14 rosettenförmig angeordneten Fasern mit einem Durchmesser von jeweils 125
m.
Durch die lichte Weite der Lo chblende von 2.3 mm und den Abstand von 8 mm zum
Quarzfaserbündel wird die genutzte Ap ertur des UV-Sp ektrographen festgelegt.
Abbildung 2.2 zeigt ein Schema des optischen und mechanischen Aufbaus der Bal-
lonsp ektrographen. Üb er je ein Quarzfaserbündel für den UV- und Vis-Sp ektrographen
2
wird das eingekopp elte direkte Sonnenlicht in den evakuierten Druckb ehälter für die
Sp ektrographen geführt. Die hier üb ereinander angeordneten Einzelfasern bilden gleich-
zeitig die Eintrittspalte für die Sp ektrographen. Von den Eintrittspalten wird das
1
UV (ultraviolett) Sp ektrograph für ultraviolettes Licht
2
Vis (visible) Sp ektrograph für sichtbares Licht
11
2. Instrument
Abbildung 2.2.: Schema optischen und mechanischen Aufbaus des Ballonsp ektrographen
Licht üb er holograsche Gitter
3
wellenlängenabhängig auf die p eltiergekühlten Pho-
to dio denzeilen abgebildet. No ch innerhalb des Druckb ehälters b enden sich die Vor-
verstärker für die Photo dio denzeilen (PDZ), die während der Auslesung die Belich-
tung der einzelnen Photo dio den in Spannungspulse umsetzen. Durch die Integration
der Spannungspulse und die darauolgende Analog-/Digitalwandlung in den auÿerhalb
des Druckb ehälters b endlichen Integratoren steht dann ein digitalisiertes Signal zur
Weiterverarb eitung mit einem Rechner zur Verfügung. Um Änderungen der optischen
Abbildung der Sp ektrographen b ei Temp eraturdierenzen von etwa 80
C während
eines Ballonuges zu vermeiden, b endet sich der Druckb ehälter in einem isolierten
Behälter mit einem Wasser/Eisgemisch.
Abbildung 2.3 zeigt eine Gesamtüb ersicht üb er die Elektronik des Balloninstru-
mentes. In den folgenden Abschnitten werden die Komp onenten b eginnend mit der
Ausleseelektronik für die Photo dio denzeile näher erläutert. Die Schaltpläne der von
mir entworfenen Komp onenten sind in Anhang A.2A.16 angeführt. Wegen der sp ezi-
ellen Anforderungen an die Ballonelektronik, insb esondere geringe Leistungsaufnahme,
geringes Gewicht, Betrieb b ei niedrigem Luftdruck und kompakter Aufbau handelt
es sich b ei Elektronik, Mechanik, Optik und Software des Sp ektrographen um eine
Eigenentwicklung. Die Eignung des holograschen Gitters im UV-Sp ektrographen zur
Bestimmung von Bromoxid wurde vorher in einem vom Autor entworfenen b o denge-
stützten Sp ektrographen getestet und in der Dissertation von Otten zur BrO Bestim-
mung in Kiruna verwendet [
Otten
1997;
Otten et al.
1996]. Der b o dengestützte Sp ektro-
3
Gitter Nr. 52 300 080 der Firma Jobin Yvon und Nr. 45 002 der Firma American Holographics
12
siehe links
Blockdiagramm DOAS Ballon
siehe links
57.6 kBaud RS232
RTS/CTS
siehe links
siehe links
Telecommand
9.6 kBd RS232
MSDOS Einplatinencomputer
PC-104 486DX33,
80MB ATBus Flash Rom
6 serielle Schnittstellen
16Bit Analog/Digitalwandler
Keyboardanschluß, CRT Controler
Netzteil
28V 5V 3A
+12V 1.5A
-12V 0.5A
Peltier 3V 4A
[POWER.SCH]
8Bit
gepuffert
Relais
für Ventilator,
Ozonsonde
[RELAIS.SCH]
In
Temperatur
11 Kanal
12Bit
Out
AD
8 Bit
74HC273
Relais
für Pumpe,
Heizwiderstand
[RELAIS.SCH]
Spektrograph
Optik und Vorverstärker in
evakuiertem Druckbehälter
Wasser/Eisgemisch
Interface
Interface zu PDZ Controler
(QSM)
PDZ
Fensterlose
Photodiodenzeile,
Peltierelement,
Vorverstärker
[PDZH-AMP]
PDZ Integrator
Verstärker Integrator
Analog-Digitalwandler
[PDZ-ADC2, PDZ.SCH]
(analog)
[PDriver.SCH]
Treiber
DA
QSM serial bus
Heizung
2/4Kanal
12Bit
GPS
gps System (ab 1998)
[PDZ-Controller, Hoffmann]
CPU Bus (Onboard)
57.6 kBaud RS232
RTS/CTS
68k
Einplatinencomputer
Photodiodenzeilen auslesen
Belichtungskontrolle
Temperaturregelung/protokoll
Uhr
(MC68332 CPU Modul (Wuerz))
PC
RS232
Telemetrie
38.4 kBd RS232
Quarzfaser
Heizwiderstand 10W
Pumpe
Einkoppelung
J(NO )-Sensor
Interfaceplatine
zu J(NO2) und
Drucksensor
[JNO2.SCH]
2
J(NO )-Sensor
2
01.03.98
Abbildung 2.3.: Schema der elektronischen Komp onenten des Balloninstrumentes
13
2. Instrument
graph ist zur Zeit in Ko op eration mit dem IRF
4
in Kiruna, Schweden, zur ganzjährigen
Bestimmung von UV-Streulichtsp ektren in der Nähe des Polarkreises in Betrieb.
2.1. Photo dio denzeile
Im Photo detektor wird eine fensterlose Photo dio denzeile Hamamatsu S-5931 N [
Hama-
matsu Photonics
1995] mit 1024 Photo dio den mit Abmessungen von jeweils
2500
25
m
2
eingesetzt.
Abbildung 2.4.: Abmessung der Photo dio den auf der Photo dio denzeile Hamamatsu S-3901 bzw. S-
3904 (Aus [Hamamatsu 1994]) (Nicht maÿstabsgetreu)
Abbildung 2.4 zeigt in der ob eren Hälfte in Aufsicht die Abmessungen der Pho-
to dio den von Photo dio denzeilen des Typs S-3901 und S-3904. In der untere Hälfte
der Abbildung ist ein Querschnitt durch die Photo dio denzeile dargestellt. Im Abstand
von
25
m sind auf dem p-dotierten Siliziumsubstrat n-dotierte Zonen von
2500
m
Länge aufgebracht und bilden so die Photo dio den. Die in Sp errrichtung b etrieb enen
Photo dio den werden zunächst auf eine Referenzspannung von 2 V aufgeladen, auf der
Sp errschichtkapazität b enden sich dann etwa
120
10
6
Elektronen. Durch Belich-
tung freigesetzte Photo elektronen wandern entsprechend des lokalen elektrischen Feldes
zur jeweils nächsten n-dotierten Zone und bauen die dort vorhandene Ladung ab. Bei
einer vergleichbaren Photo dio denzeile RL1024 [
EG
&
G Reticon
1991;
Stutz
1991] wird
der Üb ergang der Empndlichkeit zwischen zwei n-dotierten Zonen als trap ezförmig
angegeb en, zusätzlich ist sie von dem Ladungszustand der b enachbarten Photo dio den
b estimmt.
Abbildung 2.5 zeigt das Prinzipschaltbild der auf der Photo dio denzeile integrierten
Schaltung. Durch die hohe Anzahl der Photo dio den und die geringe Gröÿe des Photo-
stroms (typisch 10 fA bis 100 pA) ist es nicht möglich, den Photostrom kontinuierlich
4
IRF Institutet för Rymdfysik
14
2.1. Photo dio denzeile
Abbildung 2.5.: Internes Schaltbild der Photo dio denzeile Hamamatsu S-5931 N (Aus [Hamamatsu
1995])
zu messen. Die einzelnen Photo dio den werden daher üb er jeweils einen Feldeekttran-
sistor (Symb ol ) sequentiell mit der Auslesezeile (
Active video
) verbunden. Ein exter-
ner ladungsempndlicher Vorverstärker (Anhang 2.7) wandelt den auf der Photo dio de
integrierten Photostrom
R
I dt
in einen Spannungsimpuls um und führt die abgebaute
Ladung wieder zurück. In der nachfolgenden Elektronik wird dieser Spannungsimpuls
in eine zur Belichtung prop ortionale Spannung umgesetzt.
Üb er das auf der Photo dio denzeile integrierte einstuge Peltierelement wird die
Temp eratur der Photo dio denzeile auf
(
10
0
:
03)
C stabilisiert. Die hier angeführte
Abweichung b ezieht sich auf die Regelabweichung, da der Hersteller für den zur Temp e-
raturmessung auf dem Chip integrierten NTC
5
nur eine grob e Tab ellierung der Wider-
standskurve ohne Angab e von Toleranzen angibt. Die Warmseite der Peltierelemente
sind im Instrument üb er einen Kühlmittelkreislauf mit einem Wärme- bzw. Kältere-
servoir gekopp elt.
In Abmessungen und Aufbau des Siliziums ist Typ S-3904 mit dem im Ballon-
sp ektrograph verwendeten Typ S-5931 N identisch, jedo ch entfällt b ei Typ S-3901 das
einstuge Peltierelement sowie der NTC und die Zuordnung der Bauteilanschlüsse ist
verschieden.
Abbildung 2.6 zeigt die Charakteristik der Temp eraturregelung nach Einstellung
eines neuen Sollwerts, die während des Fluges in Kiruna durch den Ausfall der Kühlmit-
telpump e vorgenommen werden muÿte. Durch die günstige thermische Zeitkonstante
von lediglich 8 s ist die Temp eraturstabilisierung mit einem durch Software implemen-
tierten Regler mit Prop ortional-, Integral- und Dierentialterm unkritisch, die Pha-
senschiebung zwischen Peltierspannung und gemessener Photo dio denzeilentemp eratur
zeigt mit etwa
90
den optimalen Wert. Denno ch wird hier nicht der Grenzfall einer
ap erio dischen Dämfung b eobachtet, dies ist vermutlich auf eine zusätzliche Phasenver-
schiebung, die etwa durch die Entfernung von 0.51 mm des NTC vom Peltierelement
versacht sein könnte, zurückzuführen.
5
NTC
N
egative
t
emp erature
c
o ecient, Widerstand mit negativen Temp eraturkoezient (Heiÿlei-
ter)
15
2. Instrument
13:37 13:38 13:39 13:40 13:41 13:42
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0Kiruna 97/02/14 T
U
Photodiodenzeilentemperatur [°C]
Universalzeit
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Peltierspannung [V]
Abbildung 2.6.: Photo dio denzeilentemp eratur und Peltierspannung
2.2. Vorverstärker
Die Abbildung A.2 zeigt den Schaltplan des ladungsempndlichen Vorverstärkers, der
die durch die Photo elektronen abgebaute Ladung in einen Spannungspuls umsetzt. Vor-
rangige Kriterien b ei der Auswahl des Op erationsverstärkers sind geringes Strom- und
Spannungsrauschen, Konstanz der Osetspannung sowie Bandbreite und Groÿsignal-
verhalten. Für die Kondensatoren C 9 und C 12, die die akkumulierte Ladung üb erneh-
men, werden Glaskondensatoren verwendet. Neb en dem eigentlichen Videoausgang der
Photo dio denzeile b esitzt die Photo dio denzeile einen weiteren Dummy-Videoausgang,
der lediglich Schaltimpulse und Osetspannung ausgibt. Der symmetrische Aufbau
des Vorverstärkers für Dummy- und Videoausgang ermöglicht die Unterdrückung von
Schaltimpulsen und externen elektromagnetischen Einkopp elungen sowie von Drift und
Rauschen der Referenzspannungsquelle auf der Vorverstärkerplatine.
2.3. Simulation des Vorverstärkers
Zur Bauteildimensionierung wurde der Auslesevorgang mit des Simulationsprogram-
mes Spice [
Microsim Corporation
1994] mo delliert. Die tatsächliche Auslesung wird
hierdurch nur unvollkommen nachgebildet, da von der Firma Hamamatsu kein Simu-
lationsmo dell der Photo dio denzeile zur Verfügung gestellt wird und das hier verwen-
dete Simulationsprogramm eine Begrenzung auf weniger als 64 Verbindungen aufweist.
Nicht zuletzt hab en auch die Plazierung der Bauelemente und das Layout der Vorver-
stärkerplatine einen maÿgeblichen Einuÿ. Die Verbindungen auf Platine selbst stellen
Induktivitäten und Kapazitäten dar, die in dem Simulationsmo dell nicht b erücksichtigt
werden konnten.
16
2.3. Simulation des Vorverstärkers
C202
0.01n
C201
0.01n
1 2
tOpen=20us
U21
0.0047n
C12
1 MOhm
R15
+ - IC=0V
1 2
U20
tClose=10us
1 2
U22
tClose=60us
1 2
U23
tOpen=70us
+1.5VIC=
+IC= 1V
+IC= 2V
100 Ohm
R6
+IC= 2V
C100
0.030n
0.005n
C101
2V +
3
-
2
V+
7
V-
4
6
B1
1
B2
5
LF411
I3A
0
0
VEE
VDD
0 0
V
V
V
V
Diode_2
Diode_1 Active_Video
VidOut
In-
Ref
...
Ausleseleitung
Abbildung 2.7.: Vereinfachtes Mo dell der Photodio denzeile mit Vorverstärker
Abbildung 2.7 zeigt ein stark vereinfachtes Mo dell der Photo dio denzeile mit Vorver-
stärker. Die Kapazität von zwei der insgesamt 1024 Photo dio den der Photo dio denzeile
wird hier durch die Kondensatoren C 201 und C 202 simuliert. Eine verschieden starke
Belichtung von
¼
und
½
Vollaussteuerung der ersten und zweiten Photo dio de wird
durch die Anfangswerte (IC -
i
nitial
c
ondition) von 1.5 V und 1 V für die Kondensato-
ren C 201 und C 202 festgelegt.
Das Zeitraster der Auslesung wird durch die Schalter U 20 U 23, die die Feldeekt-
transistoren simulieren, vorgegeb en. Der Innenwiderstand der Feldeekttransistoren
(Symb ol in Abb. 2.5), die die Photo dio den (Dio de_1, Dio de_2, ...) mit der Ausle-
seleitung (Active Video) verbinden, wird durch einen Widerstand von
100
für die
geschlossenen Schalter U 20 und U 22 genähert. Daten üb er die tatsächliche Einschalt-
charakteristik der Feldeekttransistoren sind nicht verfügbar. Unter der Annahme, daÿ
eine möglichst kleine Chipäche für die 1024 Transistoren genutzt wird, scheint der für
einzelne Feldeekttransistoren vergleichsweise hohe Widerstand von
100
gerechtfer-
tigt.
Im Schaltbild folgt Kondensator C 100, der die interne Kapazität der Ausleselei-
tung der Photo dio denzeile darstellt und der Widerstand R 6 (Anhang A.2) zwischen
Ausgang der Photo dio denzeile und dem Eingang des Vorverstärkers. Die Kapazität der
Leiterbahnen auf der Platine und die Eingangskapazität des Op erationsverstärkers wird
durch den Kondensator C 101 genähert. Wegen der Komplexität des Spicemo dells für
den tatsächlich verwendeten Op erationsverstärker OPA 627 [
Burr-Brown Corp.
1994a]
muÿte zur Simulation auf einen in der Simulationsbibliothek vorhandenen Op erations-
verstärker LF 411 ausgewichen werden.
Die Rückkopplung des als Inverter b eschalteten Op erationsverstärkers I 3A erfolgt
üb er den Kondensator
6
C 12 mit 4.7 pF und den Widerstand R 15 mit 1 M
.
Den Verlauf der simulierten Auslesung zeigt Abbildung 2.8. Gezeigt sind die Span-
nungen V(Dio de_1) und V(Dio de_1) der b eiden Photo dio den und die Ausgangsspan-
nung V(VidOut) des Op erationsverstärkers. Die Simulation b eginnt b ei
0
s mit einem
Einschwingvorgang der Spannung V(VidOut), dies ist ein Artefakt durch die Initiali-
sierung des Spice-Mo dells für den Op erationsverstärker. Bei
10
s erfolgt üb er den sich
6
Im Ballonsp ektrograph werden zwei parallelgeschaltete Kondensatoren von 2.2 pF statt eines 4.7 pF
Kondensators verwendet
17
2. Instrument
0s 20us 40us 60us 80us 100us
Time
V(VidOut) V(Diode_1) V(Diode_2)
4.0V
3.5V
3.0V
2.5V
2.0V
1.5V
1.0V
Abbildung 2.8.: Simulation der Photo dio denzeilenauslesung, Photodio denspannungen und Ausgangs-
signal der Vorverstärkers b ei
¼
und
½
Vollaussteuerung
schlieÿenden Schalter U 20 die Auslesung der ersten zu
¼
entladenen Photo dio de. Die
Spannung der Photo dio de V(Dio de_1) wird dab ei von der Anfangsspannung von 1.5 V
mit einer Zeitkonstante von nur etwa 200 ns auf die Referenzspannung
7
(Ref ) von 2 V
gebracht. Die Trennung der Photo dio de von der Ausleseleitung erfolgt 10
s entspre-
chend 50 Halbwertszeiten später üb er U 21, so daÿ eine vollständige Wiederauadung
der Photo dio denkapazität gewährleistet ist. Die b ei dem Einschaltvorgang üb er R 6
üb ernommene Ladung der Photo dio den erfordert b ei Vollaussteuerung eine Anstiegsge-
schwindigkeit (Slew rate) am Ausgang (VidOut) des Op erationsverstärkers von wenig-
stens
2
10
7
V/s, damit üb er den Rückkopp elungskondensator C 12 die Spannung am
invertierende Eingang (In-) des Op erationsverstärkers in der Nähe des nichtinvertieren-
den Eingangs (Ref ) bleib en kann. Erreicht die Ausgangsstufe des Op erationsverstär-
kers diesen für Präzisionsop erationsverstärker hohen Wert nicht, gerät zunächst die
Eingangsstufe in Sättigung und danach die weiteren Verstärkungsstufen innerhalb des
Op erationsverstärkers. Um diesen Zustand, der eine starke Nichtlinearität verursachen
würde, unb edingt zu vermeiden, b egrenzt Widerstand R 6 die geforderte Anstiegsge-
schwindigkeit auf hö chstens
4
10
7
V/s, dies entspricht dem sp ezizierten Minimalwert
für den OPA 627.
Die auf Kondensator C 12 üb ernommene Ladung wird dann üb er den Widerstand
R 15 mit einer Zeitkonstante von
4
:
7
s abgebaut. Die Auslesung der jeweils nächsten
Photo dio de (hier Dio de_2) b eginnt mit einer Perio de von
50
s entsprechend 10.6
Halbwertszeiten später. Dies b edeutet, daÿ
6
10
4
der Belichtung einer Photo dio de der
jeweils nächsten Photo dio de zugeschrieb en werden. Dieser nicht kumulierende Eekt
7
Im Ballonsp ektrograph b eträgt die Referenzspannung 2.06 V, da eine Fehlb estückung korrigiert
werden muÿte
18
2.4. Integrator
wird im allgemeinen durch die Apparatefunktion der Sp ektrographen sowie durch das
Üb ersprechen der b enachbarten Dio den auf der Photo dio denzeile selbst üb erdeckt.
Der im realen Vorverstärker b eobachtete Verlauf der Spannungen enthält zusätzli-
che Schaltimpulse, b ei guter Puerung der Spannungsversorgung und des Peltierstro-
mes sind jedo ch alle Schaltvorgänge auf dem Vorverstärker selbst und dem nachfol-
genden Integrator synchron zum Auslesezeitraster. Dadurch wirken die Schaltimpulse
gleichermaÿen auf jede Photo dio denauslesung und können nicht als Rauschen o der
systematische Struktur wirksam werden. Einzige Ausnahme hiervon ist der nicht syn-
chronisierte interne Takt des Analog-/Digitalwandlers und die daran gekopp elte Üb er-
tragung des digitalisierten Signales. Diese möglicherweise Störungen verursachenden
Schaltvorgänge erfolgen jedo ch b ei b ereits abgeschalteter Photo dio de und nachdem
die Integration abgeschlossen ist.
2.4. Integrator
Die Abbildung A.3 und A.4 zeigen das Schaltungsdiagramm des Integrators. Eingang-
seitig subtrahiert der als Dierenzverstärker geschaltete Op erationsverstärker (I 1A)
das Dummy- vom Videosignal des Vorverstärkers und hält üb er die Verbindungsleitun-
gen eingekopp elte externe Störungen von der weiteren Signalverarb eitung fern. Üb er
das Widerstandspaar R 7/R 8 wird ein Strom für den Transimp edanzeingang des nach-
folgenden Integrators (I 2) zur Verfügung gestellt. Sollten Anpassungen an verschieden
groÿe Photo dio denkapazitäten notwendig werden, können sie hier erfolgen. Zur Ver-
gleichbarkeit der Photo dio denzeilen untereinander und zur Erhöhung von Zuverlässig-
keit und Repro duzierbarkeit wurde hier wie auch b ei der übrigen Elektronik b ewuÿt
von der Verwendung von Potentiometern abgesehen.
In der Integratorstufe des ACF 2101 (I 2) wird das Videosignal auntegriert. Die
Verwendung eines monolithischen IC (Integrated circuit - integrierter Schaltkreis) mini-
miert b ei geringem Strom- und Platzb edarf Einstreuungs- und Linearitätsprobleme.
Zur Anpassung auf den Eingangsb ereich des Analog-/Digitalwandlers wird in der näch-
sten Verstärkerstufe (I 1B) ein Oset addiert und das negative Integratorsignal inver-
tiert. Der 16 Bit Analog-/Digitalwander ADS 7809 (I 6) [
Burr-Brown Corp.
1994b] mit
integriertem Sample&Hold
8
Eingang setzt das Analogsignal in einen seriellen mit etwa
2.3 MHz getakteten, asynchronen Datenstrom um und üb erträgt es üb er einen die-
rentiellen RS 422 Schnittstellentreib er.
Der zeitliche Ablauf des Ausleseprozesses, der Start- und Taktimpulse für die Photo-
dio denzeile, Rücksetzen des Integrationskondensators, Önung des Integrationfensters
und Start der Analog-/Digitalwandlung wird von einem Mikro controler PIC16C84P10
(I 5) festgelegt. Das in das EEPROM
9
dieses Mikro controlers ko dierte Assemblerpro-
gramm p dz.asm (Anhang A.3) ist
radiation hard
ausgelegt, jedes verwendete Bit wird
während des Programmdurchlaufs neu initialisiert, das heiÿt hier, daÿ der Mikro contro-
ler b eispielsweise trotz eines zufällig gesetzten Programmzählers, einer b eliebig verän-
derten Variable o der eines von Eingang auf Ausgang umgeschalteten Portbits innerhalb
von 60 ms zur normalen Funktion zurückndet. Zwei lichtemittierende Dio den zeigen
8
Sample&Hold Die meisten Analog-/Digitalwandler b enötigen während der Wandlung eine kon-
stante Eingangsspannung, mit dem Sample&Hold Eingang entfällt diese Einschränkung
9
EEPROM
E
lectrically
E
rasable
P
rogrammable
R
ead
O
nly
M
emory
19
2. Instrument
den Betriebszustand des Mikro controlers an. In der Zeit zwischen zwei Auslesungen
erzeugt der Mikro controler den für das nichtstatische Schieb eregister der Hamamatsu
Photo dio denzeile erforderlichen Takt auf
1
und
2
(Abb. 2.5).
Eine Ausleseanforderung üb er den RXD Eingang startet üb er einen Interrupt
10
die Auslesung der Photo dio denzeile. Damit durch einen einzelnen elektromagnetischen
Impuls keine ungewollte Auslesung ausgelöst werden kann, wird b ei Ausführung des
Interrupts erneut geprüft ob eine Ausleseanforderung vorlag, ein Low Pegel auf dem
RXD Eingang von
5
s Dauer bildet eine gültige Ausleseanforderung.
Die Erkennung dieser Ausleseanforderung führt zu einer Ungenauigkeit (Jitter) von
kleiner als 0.8
s für den Start der jeweiligen Auslesung. Die resultierende Variation
der Belichtungszeiten ist für DOAS Messungen vernachlässigbar, für extreme Anfor-
derungen an absolute Intensitätsmessungen könnte durch die Verwendung eines zum
PIC16C84 pinkompatiblen Mikro controlers Scenix SX18AC [
Scenix Semiconductor Inc.
1998] die Ungenauigkeit auf 100 ns reduziert werden.
Tab elle 2.1 zeigt das Datenformat des vom Integrator zum PDZ-Controler gesen-
deten Datenstroms
11
.
Anzahl 16 Bit, hö chst- Erläuterung
wertiges Bit zuerst
1 Auslesezähler Funktionieren des Mikro controlers
und der RS 422 Üb ertragungsstrecke,
wird b ei jeder Auslesung inkrementiert
31 Osetauslesungen Osetwert der Ausleseelektronik
1024 Photo dio den Belichtung der Photo dio den
32 Osetauslesungen Osetwert der Ausleseelektronik
Tab elle 2.1.: Datenformat des seriellen RS 422 Datenstro-
mes
Bei Beginn der Auslesung sendet der Mikro controler üb er die Tri-state Ausgänge
12
RB 0
und RB 1 und ein Widerstandsnetzwerk (RS 2) zunächst ein 16 Bit Datenwort mit der
Nummer der jeweiligen Auslesung üb er die serielle RS 422 Schnittstelle. Danach werden
die Tri-state Ausgänge ho chohmig geschaltet und die RS 422 Schnittstelle steht unter
Kontrolle des Analog-/Digitalwandlers. Nach Üb ertragung der Nummer folgen 31 Aus-
lesungen des Osets der Ausleseelektronik. Diese Auslesung erfolgen mit dem gleichen
Zeitraster wie später die Auslesung der Photo dio den, jedo ch wurde das Schieb eregister
der Photo dio denzeile (Abb. 2.5) no ch nicht durch ein Puls auf
st
aktiviert, so daÿ
die Photo dio den nicht üb er ihre jeweiligen Feldeekttransistoren mit der Auslesezeile
verbunden werden. Bei diesen Auslesungen wird daher der Oset der Vorverstärker
sowie des Integrators gemessen. Nach den Osetauslesungen wird das digitale Schieb e-
register der Photo dio denzeile aktiviert und die 1024 Photo dio den werden ausgelesen.
Nach der Auslesung der Photo dio denzeile folgen erneut 32 Osetauslesungen. Üb er
die insgesamt 63 Osetwerte könnte eine Osetkorrektur für jede einzelne Auslesung
vorgenommen werden.
10
Interrupt Unterbrechung des Programmablaufes durch ein externes o der internes Ereignis
11
In der derzeitigen Version der MC 68332 Software (V 2.92) werden weder der Auslesezähler noch die
letzten Osetauswerte eingelesen
12
Tri-state Ausgang Anschluÿ, der wahlweise ein ho chohmiger Eingang oder ein niederohmiger
Ausgang mit hohem o der niedrigem Logikp egel ist
20
2.5. Oset des Detektors
2.5. Oset des Detektors
819
820
821
822
823
824
825
826
827
828
829
04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
Offset UV−Spektrograph [Bit]
Universalzeit
León 96/11/23
Kiruna 97/02/14
Gap 97/06/20
Abbildung 2.9.: Oset der Meÿsp ektren des UV-
Sp ektrographen während dreier
Flüge
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
Offset VIS-Spektrograph [Bit]
Universalzeit
Leon 96/11/23
Kiruna 97/02/14
Gap 97/06/20
Abbildung 2.10.: Oset der Meÿsp ektren des
Vis-Sp ektrographen während
dreier Flüge
Die Abbildungen 2.9 und 2.10 zeigen den aus den ersten 31 Osetwerten gemittel-
ten Oset der Ausleseelektronik (vergleiche Tab elle 2.1) während der drei Meÿüge.
Die während des Fluges in Kiruna auftretenden vereinzelten Abweichungen sind auf
den Ausfall der Kühlmittelpump e zurückzuführen. Der b eobachtete Anstieg jeweils
gegen Ende der Flüge ist vermutlich durch die Temp eraturdrift der Osetspannungen
der Op erationsverstärker I 2A und I 3A des Vorverstärkers und der Op erationsverstär-
ker I 1A und I 1B des Integrators (Anhang A.2 und A.3) verursacht. Eine Korrektur
der einzelnen Meÿsp ektren um den jeweiligen Oset wäre im Prinzip möglich, da der
Oset jedes einzelnen Sp ektrums in den den Sp ektren zugeordneten Dateien (Datei-
endung cmm ) abgesp eichert ist. Aufgrund des vom Integrator üb ertragenen Daten-
formates nach Tab elle 2.1 könnte ein durch
63
Auslesungen b estimmter Oset für
jedes einzelne Sp ektrum subtrahiert werden. Durch die Subtraktion eines durch Rau-
schen schwankenden Osetmittelwertes würde eine zusätzliche Rauschquelle von etwa
1
= 1
:
9
BE
=
p
63 = 0
:
24
BE eingeführt
13
.
Bei den für Ballonmessungen typischen Aussteuerungen kann der Oset durch die
Subtraktion eines für jede einzelne Photo dio de konstanten Wertes komp ensiert werden.
Sollte der den Photo dio den gemeinsame Oset denno ch ein kritischer Parameter sein,
könnte, wie die hier gezeigten zufälligen Unterschiede der Osetkonstanz für den UV-
und Vis-Sp ektrographen zeigen, durch Selektion der Bauteile eine deutliche Verb esse-
rung erzielt werden.
2.6. Linearität des Detektors
Die insgesamt durch den Integrator und den Analog-/Digitalwandler erwartete Nicht-
linearität des Detektors liegt b ei etwa
5
10
5
, hinzu kommt eine unb ekannte Nicht-
linearität durch die Kennlinie der Photo dio den und durch möglicherweise spannungs-
abhängige Kapazitäten auf der Vorverstärkerplatine und die eingesetzten Op erations-
verstärker. Eine Bestimmung der Nichtlinearität in dieser Gröÿenordnung erfordert
13
BE Binäre Einheit des Analog-/Digitalwandlers
21
2. Instrument
eine zeitlich o der sp ektral ho chkonstante Lichtquelle und ein möglichst gutes Signal zu
Rauschverhältnis. Zur Linearitätsb estimmung wird hier direktes Sonnenlicht als Licht-
quelle verwendet. Da es schwierig ist, während der Linearitätsmessungen eine konstante
Lichteinkopp elung aufrechtzuerhalten, wird das Intensitätsverhältnis zwischen Wellen-
längenb ereichen mit hoher und mit niedriger Intensität im Sonnensp ektrum b etrachtet.
0 20 40 60 80 100
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
VerhältnisObere/UntereKanalsumme
DurchschnittlicheAussteuerungderoberenKanäle[%]
TypischeMaximalaussteuerung
währendBallonmessung
BeginnderSättigung
Abbildung 2.11.: Diagramm zur Bestimmung der Detektorlinearität. Gemessenes Intensitätsverhält-
nis von Photo dio den mit hoher Aussteuerung zu Photo dio den mit niedriger Aus-
steuerung in unterschiedlich stark b elichteten Direktlichtsp ektren der Sonne [
Vrade-
lis
1998]. Die Steigung der Regressionsgeraden für die Intensitätsverhältnisse b ei bis
zu 80% der Vollaussteuerung b eträgt
(2
:
7
3
:
3)
10
5
(1
)
Die Abbildung 2.11 zeigt das gemessene Intensitätsverhältnis in Abhängigkeit von
der Aussteuerung der Photo dio denzeile. Die Abweichung des Intensitätsverhältnisses
von einer Konstanten ist direkt ein Maÿ für die Nichtlinearität. Unter Berücksichti-
gung des Rauschens und der Intensitätsverhältnisse bis zu 80% der Aussteuerung wird
eine Regressionsgerade mit einer Steigung von
(2
:
7
3
:
3)
10
5
(1
)
b estimmt. Die
b eobachtete Nichtlinearität ist damit vernachlässigbar klein.
2.7. Rauschen des Detektors
Ein wichtiger Parameter für die Sp ektrenauswertung stellt das Rauschen des Detektors
dar. Tab elle 2.2 zeigt eine Bilanz des Detektorrauschens.
Bei Vollaussteuerung stellt das statistisch b edingte Photo elektronenrauschen mit
N
P hotonelek tr onen
^=5
:
4
BE den gröÿten Beitrag dar. Nächstwichtige Rauschquelle ist das
schwach temp eraturabhängige Dio denresetrauschen [
Simpson
1979]. Da während jedes
Auslesevorganges zwei Pegelwechsel der Clo ckleitung
2
(Abb. 2.5, Anhang A.3) auf-
treten, wird die auf 2 pF geschätzte parasitäre Kapazität C
VC
von der Video- zur
Clo ckleitung zweifach wirksam, eb enso tritt durch das Zu-/Abschalten der Photo di-
o denkapazität C
Dio de
mit einem Faktor 2 im Rauschterm auf.
22
2.7. Rauschen des Detektors
Rauschquelle Elektronen BE
Photo elektronenrauschen
p
N
P hotoelek tr onen
0
11173 0
5
:
38
Dio denresetrauschen(*)
1
=q
e
p
k
T
(2
C
D iode
+ 2
C
V C
) 1843 0
:
88
Spannungsrauschen(*)
1
=q
e
V
Rausch
(
C
D iode
+
C
Auslese
) 249 0
:
12
Stromrauschen(*)
1
=q
e
I
Rausch
T
integ r ation
45 0
:
02
Rauschen des Dierenz-
verstärkers, Integrators exp erimentell
1804 0
:
87
und AD-Wandlers
Gesamtrauschen ohne b erechnet 4124 1.99
Belichtung
Gesamtrauschen ohne exp erimentell
3940 1
:
90
Belichtung
Tab elle 2.2.: Abschätzung der Detektorrauschquellen.
Das exp erimentell ermittelte Gesamtrauschen liegt 5%
unter dem b erechneten Wert (siehe Text)
Für die Tab elle ist angenommen: Photo diodenkapazität C
Dio de
=10 pF (Herstellerangab e), Vollaus-
steuerung bei 62000 BE, Detektortemperatur T=263 K, Referenzspannung 2.06 V, Kapazität von der
Video- zur Taktleitung C
VC
=2 pF, Kapazität der Ausleseleitung 30 pF, Eingangskapazität des Op era-
tionsverstärkers inklusive Kapazität der Videoleitung auf der Detektorplatine 5 pF, sowie 4.7 pF für
die Kapazität des Auslesekondensators.
Spannungs und Stromrauschen des eingesetzten Vorverstärkers (
4
:
5
nV
p
Hz
und
1
:
6
fA
p
Hz
)
sind b ei der durch die Länge des Integrationfensters von
20
s b estimmten Bandbreite
etwa 50 kHz von untergeordneter Bedeutung. Die drei mit (*) gekennzeichneten Rausch-
b eiträge treten sowohl b ei der Video- als auch b ei der Dummyleitung auf. Da vor einer
einzelnen Auslesung zunächst eine Initialisierung der Photo dio den auf die Referenz-
spannung notwendig ist, stehen diese Rauschb eiträge insgesamt mit einem Faktor 4 in
der Rauschbilanz.
Das exp erimentell ermittelte Ausleserauschen b ei unb elichteter Photo dio denzeile
liegt mit 1.90 BE etwas unter dem b erechneten Wert von 1.99 BE. Dieses nicht erwar-
tete Ergebnis ist vermutlich auf eine gegenüb er der Herstellerangab e gröÿeren Photo-
dio denkapazität C
Dio de
zurückzuführen. Um diese Abweichung näher zu untersuchen,
wird in Abschnitt 3.2.2 die Photo dio denkapazität üb er eine unabhängige Meÿmetho de
b estimmt. Mit dem dort b estimmten Mindestwert von C
Dio de
=11.6 pF b eträgt der
b erechnete Wert für das Ausleserauschen 1.85 BE und ist damit im Einklang mit dem
exp erimentell ermittelten Wert.
Für die Verringerung des Dio denresetrauschens b estehen (neb en einer Reduktion
von C
VC
) zwei Möglichkeiten. Zunächst der Verzicht auf die Auslesung der Dummy-
Photo dio den. Da b ei der Auslesung der Photo dio den stets ein p ositiver Dunkelstrom
b eobachtet wird, ist die Datenblatt angegeb ene Photo dio denersatzschaltung (Abbil-
dung 2.5) vermutlich nicht korrekt. Wäre die Dummyvideoleitung tatsächlich kom-
plementär zur Videoleitung ausgelegt, d. h. insb esondere mit Dummydio den versehen,
dann würde als resultierender Dunkelstrom mit der Dierenz zweier Dunkelströme ein
um Null schwankender Wert b eobachtet. Da ein komplementärer Satz von Photo di-
o den zudem die b enötigte Chipäche nahezu verdopp eln würde, liegt hier der Verdacht
23
2. Instrument
nahe, daÿ lediglich eine einzelne Dummyphoto dio de üb er einen Feldeekttransistor auf
die Dummyzeile geschaltet wird. Das hierdurch verursachte Resetrauschen wäre (z. B.
durch Widerstand R 5,1 im Anhang A.2 an einen Kondensator von 40 pF statt an
DumVid) vermeidbar.
Eine zweite Möglichkeit b esteht im correlated double sampling (CDS), b ei dieser
Metho de wird die auf dem Integrationskondensator kumulierte Ladung jeweils vor und
nach dem Aufschalten der Photo dio de gemessen [
Dalsa
1993]. Die hierdurch erziel-
bare Reduktion des Resetrauschens würde jedo ch durch das durch die zweite Ausle-
sung zusätzlich eingeführte Rauschen komp ensiert, so daÿ mit einem 16-Bit Analog-
/Digitalwandler keine signikante Verb esserung möglich ist.
Insgesamt üb erwiegt ab einer Aussteuerung von etwa 7000 BE das Photo elektro-
nenrauschen. Eine Verb esserung der Elektronik würde sich dadurch nur b ei geringer
Aussteuerung b emerkbar machen. Für die Messung von Direktlichtsp ektren mit dem
Balloninstrument ist das Detektorrauschen vernachlässigbar.
Eine Alternative zu Photo dio denzeilen stellen CCD
14
Zeilen dar. Systemb edingt
arb eiten CCD Zeilen nicht mit einer statisch vorhandenen Ausleseleitung, sondern
transp ortieren die Photo elektronen mithilfe von
wandernden
Potentialtöpfen zu den
Ladungsverstärkern, die in der Regel auf der CCD selbst vorhanden sind. Durch die
geringen parasitären Kapazitäten ist hierb ei ein Photo elektronenrauschen in der Grö-
ÿenordnung von wenigen Photo elektronen erreichbar. Zur Erzeugung der wandernden
Potentialtöpfe werden üblicherweise Strukturen (Gates) auf der lichtzugewandten Seite
der CCD b enötigt, die während des Auslesens zyklisch auf wechselnde Potentiale gelegt
werden. Diese Strukturen können jedo ch die Quantenausb eute der CCD mo dulieren.
Mit der Verfügbarkeit von langzeitstabilen back-lit (nicht durch die Gateeb ene b eleuch-
teten) CCDs entfällt dieser Nachteil. Für die meisten mit der Meÿmetho de DOAS aus-
gewerteten Spurenstoe sind geringe Reststrukturen von typischerweise (
10
3
10
4
)
erforderlich, dies erfordert jedo ch wenigstens
10
6
10
8
Photo elektronen, so daÿ der
Vorteil des geringen Ausleserauschens und der hohen Empndlichkeit der CCDs nicht
wirksam wird.
2.8. MC 68332 Einplatinenrechner
Das Balloninstrument enthält für den UV Sp ektrographen und den Sp ektrographen
für sichtbares Licht je einen weitgehend autarken Einplatinenrechner (Schaltbild im
Anhang A.5). Die Befehlssatz für die Einplatinenrechner kann zwischen einem MFC-
kompatiblen Mo dus [
Gomer et al.
1993] und einem erweiterten Mo dus umgeschaltet
werden. Die Einplatinenrechner und die Programmierung der Firmware
15
wurden von
der Firma Homann Meÿtechnik GmbH, Walldorf b ezogen. Als intelligente Subsy-
steme nehmen die Einplatinenrechner den seriellen Datenstrom nach Tab elle 2.1 der
Integratoren (Anhang A.3 und A.4) entgegen und führen b ei der Sp ektrenaufnahme
eine automatische Aussteuerungskontrolle und Aufsummierung der Sp ektren durch.
Die Einplatinenrechner enthalten einen 12-Bit Analog-/Digitalwandler mit 11
Kanälen und einen zweikanaligen 12-Bit Digital-/Analogwandler, dies macht üb er
die Aufnahme von Meÿdaten hinaus zwei unabhängige, in Software implementierte
14
CCD Charge coupled device, Zeilen mit analogem Schieb eregister zum Ladungstransfer
15
In einem Permanentsp eicher abgelegtes Programm
24
2.9. Instrument-PC
Regelkreise möglich. Nach Initialisierung üb er die serielle Schnittstelle durch den
Instrument-PC üb ernehmen die Einplatinenrechner die Temp eraturregelung der
Photo dio denzeilen. Die hierfür erforderlichen Ströme für die Peltierelemente werden
von der Spannungsversorgungsplatine (Anhang A.10 und A.11) und der Ausgangstrei-
b erplatine (Anhang A.8 und A.9) zur Verfügung gestellt.
Kanal- Meÿgröÿe Sollwert Einheit
nummer
0 5V-Versorgungsspannung 2500 2mV
1 12V-Versorgungsspannung 3000 4mV
2 12V-Versorgungsspannung 750 Spannungsteiler
10
k
30
k
zwischen +5 und -12V, [mV]
3 MC 68332 Temp eratur 27003200
1
10
K
4 Photodio denzeilentemperatur 5002500 T[
C]=1.170 F(ADC
4
)
2
-46.53 F(ADC
4
)+354.43
mit F(ADC
4
)=
ln(10
5
ADC
4
)
4096
ADC
4
5 (UV) Optiktemp eratur nahe Flansch 2732
1
10
K
(Ob erseite Druckb ehälter)
5 (VIS)
1
10
K
6 (UV) Optiktemp eratur nahe Gitter 2732
1
10
K
6 (VIS) Temp eratur Kühlkreislauf 2732
1
10
K
(Vorlauf )
7 Peltiertreib er Temp eratur 27003500
1
10
K
8 (UV) Netzteiltemp eratur 27003500
1
10
K
8 (VIS) Temp eratur Auÿenseite Box
1
10
K
9 (UV) Pump enstrom 01500 mA (Intervallb etrieb)
9 (VIS) Temp eratur Kühlkreislauf 2732
1
10
K
(Rücklauf )
10 Peltier Spannung 02000 0.9 mV
Tab elle 2.3.: Belegung der Analog-/Digitalwandlerkanäle der
MC 68332 Einplatinenrechner für den UV und den VIS-
Sp ektrographen
Tab elle 2.3 zeigt die Belegung der Analog-/Digitalwandlerkanäle für die b eiden
MC 68332-Einplatinenrechner.
2.9. Instrument-PC
Der Instrument-PC (Abb. 2.3) ko ordiniert üb er fünf serielle Schnittstellen den Betrieb
b eider Sp ektrographen, nimmt von der Bo denstation gesendete Kommandos üb er
die Telecommandschnittstelle entgegen, sendet die Instrumentdaten üb er die Teleme-
trieschnittstelle zur Bo denstation, b etreibt wahlweise ein o der zwei 16 Bit Analog-
/Digitalwandler mit je 8 dierentiellen Kanälen und liest die Daten eines GPS-
Empfängers
16
zur exakten Positions- und Zeitb estimmung
17
ein. Für den Fall einer
Telemetriestörung werden die Instrumentdaten zusätzlich lokal auf einer Flashdisk
18
mit einer Kapazität von 80 MByte gesichert.
Das Programm für den Instrument-PC stellt die komplexeste Software des Bal-
16
GPS Global Positioning System, Ort und Zeitb estimmung durch ein Netz amerikanischer Satel-
liten in erdnaher Umlaufbahn
17
Ab Flug León 1998. Die in dieser Arb eit vorwendeten Koordinaten b eruhen auf Flugdaten des von
der CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) b etrieb enen balloneigenen GPS-Empfängers
18
Flashdisk Wiederb eschreibbares Speichermedium ohne mechanisch b ewegte Teile
25
2. Instrument
loninstrumentes dar. Die Programmierung wurde in Turb o C unter DOS mit einem
echtzeitfähigen Multitasking-Betriebssystemzusatz
19
von Hartwig Harder vorgenom-
men, eine Skriptsprache erlaubt die Festlegung des Meÿablaufs. Die Beschreibung des
Programmes wird in der Dissertation von Harder [1999] gegeb en.
Kanal des Meÿgröÿe Einheit
AD-Wandlers
0 Ausgang J(NO
2
) Sensor 76.3
V
1 Ausgang J(NO
2
) Sensor 76.3
V
2 Drucksensor
((
ADC
2
0
:
01919)
124
:
3)
hPa
3 CPU 486 Temp eratur
(
ADC
3
7
:
63
10
3
273
:
15)
C
4 Frei
5 Frei
6 Temp eratur J(NO
2
) Sensor
(
ADC
6
7
:
63
10
3
273
:
15)
C
7 Temp eratur J(NO
2
) Sensor
(
ADC
7
7
:
63
10
3
273
:
15)
C
Tab elle 2.4.: Belegung der Analog-/Digitalwandlerkanäle des
Instrument-PC
Üb er eine (zwei) kommerziell erhältliche Analog-/Digitalwandlerkarte(n) und eine
Adapterplatine (Anhang A.12 und A.13) werden Druck- und Temp eratursensoren
sowie Relais-Platinen (Anhang A.6 und A.7) und zwei externe J(NO
2
)-Sensoren in
das System integriert.
Tab elle 2.4 gibt die Belegung der Analog-/Digitalwandlerkanäle der PC Analog-
/Digitalwandlerkarte an.
2.10. Bo denstation
Die Bo denstation des Balloninstruments b esteht aus drei Personal Computern (PC),
davon werden zwei mit dem Betriebssystem Linux und einer mit dem Betriebssystem
DOS (Abb. 2.12) b etrieb en. Während der Ballonüge wird das Balloninstrumentes von
der Bo denstation aus b edient. Der Telemetriekanal [
CNES
1994] stellt dafür an der
Bo denstation die vom Instrument-PC üb er die Telemetrieschnittstelle ausgegeb enen
Daten auf einer RS 232 Schnittstelle wieder zur Verfügung.
Auf dem ersten PC (Sicherungs-Rechner) werden die Telemetriedaten ohne weitere
Bearb eitung auf Festplatte protokolliert.
Ein zweiter PC (Kontroll-Rechner) teilt mit dem Programm
Chopper
die Teleme-
triedaten in separate Dateien (Sp ektren, Analog-/Digitalwandlerdaten, GPS-Daten,
Statusdateien) auf und stellt durch Prüfsummen ihre Integrität sicher. Das Programm
Chopper
(Anhang A.1) wurde von Paul Vradelis unter GNU-C erstellt.
Der Kontrollrechner stellt die Instrumentdaten und die aufgenommenen Sp ektren
grasch dar und stellt die Dateien auf einem lokalen Netz sowohl üb er das für Unix-
rechner übliche NFS-Protokoll als auch üb er das für Microsoft
r
Pro dukte verwendete
SMB-Protokoll zur Verfügung. Eine typische Bildschirmdarstellung zeigt Anhang A.1.
Mit einem Terminalprogramm können vom Kontrollrechner aus Kommandos üb er den
Telecommandkanal zum Instrument-PC gesendet werden. Wird die Funküb ertragungs-
strecke b enutzt, dann werden die mit 9600 Baud ohne Handshake
20
entgegengenom-
19
RTKernel, On Time Informatik GmbH
20
Handshake Datenuÿkontrolle
26
2.10. Bo denstation
BNC RS232
38.4kBaud 8N1
BNC RS232
9600Baud 8N1
Telemetrie Telecommand
Ethernet (BNC)
programm MFC und Zugang zum
lokalen Netz
MFC Datenmonitor
daten, separiert die Daten in Dateien,
exportiert die Dateien über lokales Netzwerk
(NFS und SMB), zeigt den Instrumentstatus
und ist Eingabekonsole für Instrument PC
Kontroll-Rechner
Com2
RXD
Com1
Com3
TXD
Telemetriedaten
4-5, 6-8-20
Telemetriedaten
4-5, 6-8-20
Telecommanddaten
4-5, 6-8-20
Linux PC speichert Telemetriedaten
unbearbeitet ab
RXD
Com2
Rest des Internets
BNC_innen-3, BNC_außen-7 BNC_innen-3, BNC_außen-7 BNC_innen-2, BNC_außen-7
BNC T-Stecker
Maus
MS-DOS PC mit Spektrenauswert-Linux PC checkt Prüfsummen der Telemetrie-
"cp -b -V numbered /dev/cua1 /var/spool/bitstream1 &"
Adapter für
BNC zu 25plg SubD
Adapter für
BNC zu 25plg SubD 25plg SubD zu BNC
Adapter für
evtl. zu zweitem Kontrollrechner
Sicherungs-Rechner
(vom Instrument-PC) (zum Instrument-PC)
Abbildung 2.12.: Blo ckdiagramm der Bo denstation,
T
ele
m
etrie- und
T
ele
c
ommandkanal sind entwe-
der direkt o der üb er eine Funküb ertragungsstrecke [CNES 1994] mit TM und TC
aus Abbildung 2.3 verbunden
menen Telecommanddaten zunächst in einem 100 Byte langen Puer gesp eichert, aus
dem sie mit einer Netto datenrate von typisch lediglich 300 Baud zum Balloninstrument
üb ertragen werden. Wegen der zentralen Bedeutung des Kontrollrechners wird ein zwei-
ter Kontroll-Rechner während der Ballonüge lediglich mit der Telemetrieschnittstelle
verbunden, b ei Ausfall des ersten Kontroll-Rechners kann die Telecommandschnittstelle
des zweiten Kontroll-Rechners verwendet werden.
Ein dritter mit dem Betriebssystem DOS o der Windows
3.11/95/98 b etrieb ener
PC hat üb er das lokale Netz Zugri auf die Sp ektrendaten und erlaubt üb er das Sp ek-
trenauswertungsprogramm MFC [
Gomer et al.
1993] eine erste Interpretation der Meÿ-
daten no ch während der Ballonüge.
27
2. Instrument
28
3. Auswertung der Meÿsp ektren
Abbildung 3.1 gibt einen Üb erblick üb er die Datenverarb eitung von der Sp ektrenauf-
nahme bis zur Bestimmung der Spurenstosäulendichten. Dieses Kapitel b efaÿt sich
Emissionslinien
Messung von
und Dunkelstrom
Messung von Offset
Skalierung mit
Literaturspektrum
Glättung Wellenlängeneichung
Wellenlängeneichung Apparatefunktion
Anpassung auf
Spektrenaufnahme
während Ballonflug
gemeinsame Dehnung und Verschiebung
Glättung
Logarithmierung Streulichtkorrektur
Subtraktion
Polynom
Auswahl des Fraunhofer-
referenzspektrums
Eingangsdaten
Bestimmung der Spurenstoffsäulendichten mit nichtlinearem Fit
Auswertung der Meßspektren
Reststrukturen
Messung von Labor-
referenzspektren spektren
Literaturreferenz-
Abbildung 3.1.: Schema der Schritte b ei der Auswertung der Meÿspektren
mit den in diesem Schema dargestellten Bearb eitungstufen und gibt darüb er hinaus
eine ausführliche Diskussion der Reststrukturen. Die für Ballonüge sp ezische weitere
Auswertung der b estimmten Spurenstosäulendichten sind Gegenstand von Kapitel 4.
3.1. Mo dellierung der Meÿsp ektren
3.1.1. O
3
Referenz
Die dominierende Absorptionsstruktur im für die BrO Auswertung gewählten Wellen-
längenintervall wird durch O
3
verursacht. Wie die Abbildungen 3.2.b und c zeigen,
weist die O
3
Absorption eine Temp eraturabhängigkeit auf.
Durch Messungen mit Ozonsonden (Anhang A.17 A.19) sind die typischen Ozon-
temp eraturen und -konzentrationen während der Flüge b ekannt, die typischen Tem-
p eraturen b etragen etwa
70
C
40
C. Um die O
3
Absorption möglichst vollstän-
dig aus den gemessenen optischen Dichten zu entfernen zu können, wurden zwei im
29
3. Auswertung der Meÿsp ektren
346 348 350 352 354 356 358 360 362
-0.5
0.0
0.5 (g) Residuum
(f)
Wellenlänge [nm]
-1
0
1BrO
(e)
-5
0
5
O4
·10-3
Differentielle Optische Dichte
(d)
-0.5
0.0
0.5
1.0
NO2
(c)
-2
-1
0
1O3(-20oC)
O3(-80oC)
(b)
-10
-5
0
5
Spektrum
Fraunhoferr.
(a)
-0.5
0.0
0.5
Nr. 129154
Abbildung 3.2.: Kiruna Fit und Referenzsp ektren a) Direktlichtsp ektrum aus 6.9 km Höhe bei
82
:
8
SZW und Fraunhoferreferenzsp ektrum (dicke Linie), b) angettete O
3
(-80
C) Lab or
Absorption (dicke Linie) und gemessene (dünne Linie) Absorption mit Residuum, c)
wie (b) jedo ch für O
3
(-20
C) d) wie (b) jedo ch für NO
2
, e) wie (b) jedo ch für O
4
, f )
wie (b) jedo ch für BrO, g) Residuum
30
3.1. Mo dellierung der Meÿsp ektren
Lab or des Max-Planck Institutes für Chemie in Mainz mit dem Ballonsp ektrographen
b estimmte O
3
Sp ektren (
20
C und
80
C) in den Fit (Kap. 1.4) aufgenommen. Eine
Beschreibung der für die Messung verwendeten evakuierbaren und kühlbaren Küvette
wird in
Ladstätter
[1989] gegeb en. Durch die Verwendung von Referenzsp ektren, die
mit dem Sp ektrograph selbst aufgenommen wurden, werden Probleme, die b ei der rech-
nerischen Anpassung eines Literatursp ektrums zum Beispiel durch eine nur ungenau
mo dellierte optische Abbildung auftreten können, vermieden.
3.1.2. NO
2
Referenz
Als NO
2
Referenzsp ektrum wurde ein im Lab or b ei
70
C aufgenommenes HONO
korrigiertes NO
2
Sp ektrum verwendet. Bereits minimale Spuren von Wasser an den
Wänden der Meÿzelle können zur Bildung von HONO mit einer sp ektroskopischen
Signatur im Auswerteb ereich führen, so daÿ statt eines reinen NO
2
Sp ektrums eine
Linearkombination eines NO
2
Sp ektrums mit einem HONO Sp ektrum gemessen wird.
Der Anteil der HONO Signatur im Referenzsp ektrum kann üb er die Auswertungen
von zwei Sp ektren mit verschieden groÿen atmosphärischen NO
2
Säulendichten vorge-
nommen werden. Wird hierfür der Wirkungsquerschnitt des no ch unkorrigierten NO
2
Sp ektrums verwendet, dann kann die b eobachtete optische Dichte durch den Fit nicht
vollständig mo delliert werden und es verbleibt eine durch den HONO Anteil verur-
sachte Reststruktur. Wird die Gröÿe dieser Reststruktur dadurch minimiert, daÿ von
dem no ch unkorrigierten NO
2
Sp ektrum ein HONO Sp ektrum mit entsprechendem Vor-
faktor subtrahiert wird, dann enthält das so gewonnene korrigierte NO
2
Sp ektrum das
gleiche Verhältnis von der NO
2
zur HONO Signatur das in der Atmosphäre b eobachtet
wird.
3.1.3. O
4
Referenz
Eine Absorptionsstrecke mit O
2
im Lichtweg zeigt eine quadratisch vom O
2
Partial-
druck abhängige, relativ breitbandige Absorptionsstruktur. Diese Absorption wird im
folgenden kurz als O
4
Referenz b ezeichnet. Für die O
4
Referenz wird das von
Greenblatt
et al.
[1990] publizierte Literatursp ektrum auf die Sp ektrographenauösung angepaÿt.
Hierfür wurde das von
Otten
[1997] geschrieb ene Programm
Falt2std
verwendet. Bei
dem Literatursp ektrum handelt es sich um ein b ei 55 Bar aufgenommenes O
4
Sp ektrum,
durch den hohen Druck tritt eine Druckverbreiterung gegenüb er den in der Atmosphäre
b eobachteten O
4
Absorptionen auf. Bei der Beschränkung des Fitb ereiches auf 346
360 nm ist der Einuÿ der Druckverbreiterung zu vernachlässigen, da die O
4
Absorpti-
onsstruktur hier durch das mitangettete Polynom approximiert werden kann. Für die
testweise Erweiterung des Fitb ereichs zu gröÿeren Wellenlängen wurde ein b ei Atmo-
sphärendruck aufgenommenes Sp ektrum von Volkamer [priv. comm. 1997] verwendet.
Durch die geringe optische Dichte der O
4
Absorption ist das atmosphärische Sp ektrum
relativ stark verrauscht, für die Verwendung im erweiterten Fitb ereich wurde das Sp ek-
trum daher durch einen Fit an drei Lorentzfunktionen geglättet. Eine Untersuchung
sp eziell zur O
4
Absorption ndet sich in der Diplomarb eit von
Osterkamp
[1997].
31
3. Auswertung der Meÿsp ektren
3.1.4. BrO Referenz
Als BrO Referenzsp ektrum wird das Literatursp ektrum von
Wahner et al.
[1988] ver-
wendet, es weist eine geringe Fehlkalibrierung b ei der Wellenlängenzuordnung auf.
Zur Wellenlängeneichung des Literatursp ektrums wurde das Sp ektrum um 0.19 nm
zu gröÿeren Wellenlängen verschob en. Die Auswirkung einer möglicherweise fehler-
haften Wellenlängeneichung wird in Abschnitt 3.2.5 untersucht. Da die mit 0.4 nm
angegeb ene Auösung des Literatursp ektrums nur geringfügig höher als die des UV-
Sp ektrographen ist, erfüllt das Literatursp ektrum die Forderung nach einer wesentlich
höheren Auösung für die Faltung mit dem Programm
Falt2Std
nicht. Die Anpassung
der Auösung wurde daher mit einer Dreiecksglättung (s. u.) vorgenommen, eine Üb er-
prüfung der Auösung erfolgte anhand der Form der Reststruktur (Abschnitt 3.3.4).
Im verwendeten Auswerteb ereich zeigt Bromoxid für den (5,0) und (4,0) Üb ergang des
A
2
3
2
X
2
3
2
Üb ergangs zwei Absorptionsmaxima b ei 348.8 und 354.7 nm. Die abso-
luten Wirkungsquerschnitte
zeigen mit einer Abnahme von etwa 31% bzw. 22% b ei
einer Temp eraturerhöhung von 223 K auf 298 K eine verschieden starke Temp eratur-
abhängigkeit. Zur Korrektur dieser Temp eraturabhängigkeit wurde ein gemeinsamer
Korrekturfaktor von
(
T
)
223
K
=
503
K
T
280
K
angenommen.
Um den Wirkungsquerschnitt für BrO ist 1997 eine Diskussion entstanden, die
bis zum Vorliegen weiterer Messungen no ch keinen Abschluÿ gefunden hat. Die mit
DOAS vorgenommenen BrO Messungen der letzten Jahre b eruhen auf dem Wirkungs-
querschnitt von
Wahner et al.
. In einem Artikel von
Gil les et al.
[1997] wurde ein
um etwa 10% gröÿerer Wirkungsquerschnitt für den (7,0) Üb ergang veröentlicht
(
1
:
63
10
17
cm
2
b ei dem zum Vergleich verwendeten (7,0) Üb ergang und einer Auö-
sung von 0.5 nm FWHM des Sp ektrographen gegenüb er dem b ei
Wahner et al.
[1988]
angegeb enen Wirkungsquerschnitt von
1
:
48
10
17
cm
2
). Demgegenüb er wird der Wir-
kungsquerschnitt von
Wahner et al.
durch Messungen von
Laszlo et al.
[1997] mit
(1
:
41
0
:
15)
10
17
cm
2
b estätigt.
Der Wirkungsquerschnitt von
Gil les et al.
wird in dieser Arb eit nicht verwendet,
sollte er b estätigt werden, müÿten die in dieser Arb eit vorgestellten BrO Säulendichten,
Konzentrationen und Mischungsverhältnisse um 10% nach unten korrigiert werden. Da
die Unsicherheit des Wirkungsquerschnittes einen der relevanten Fehlerb eiträge b ei der
BrO Auswertung darstellt, wäre es hilfreich, wenn ho chaufgelöste BrO Sp ektren mit
exakter Wellenlängenkalibrierung und genauem Wirkungsquerschnitt zur Verfügung
stünden.
Erweiterter Fitb ereich für die BrO Referenz
BrO zeigt b ei 360.4 nm (3,0 Üb ergang) eine weitere Absorptionsstruktur, die zur
Bestimmung des Fitko ezienten mit herangezogen werden kann. Da der (3,0) Üb er-
gang mit der O
4
Absorption interferiert und das O
4
Sp ektrum von
Greenblatt et al.
[1990] eine Druckverbreiterung aufweist, wird für die Erweiterung des Fitb ereichs ein
atmosphärisches O
4
Sp ektrum (3.1.3) verwendet.
Wegen des wellenlängenunabhängigen Lichtweges der Direktlichtsp ektren kann im
Gegensatz zu Zenit bzw. Nadir
1
Streulichtmessungen der Beitrag der O
4
Absorption
durch einen Vort, der die O
4
Absorption b ei 380 nm einschlieÿt, vor dem eigentlichen
1
Zenit senkrecht üb er dem Beobachter, Nadir senkrecht zum Bo den (Satellit)
32
3.1. Mo dellierung der Meÿsp ektren
Fit subtrahiert werden. Die durch den erweiterten Fitb ereich gröÿeren Reststruktu-
ren machen jedo ch den relativ geringen Gewinn durch die kleinere (3,0) Absorption
zunichte und führen eine zusätzliche Unsicherheit wegen der möglichen Interferenz mit
O
4
ein. Da die O
4
-Absorption sich b esonders stark in der Trop osphäre ändert, könnte
so eine trop osphärische BrO Absorption vorgetäuscht o der maskiert werden. Für diese
Arb eit wird daher ein Fitb ereich von 346 bis 360 nm verwendet.
3.1.5. Fraunhoferreferenz
Zur Bestimmung von der solaren Intensität I
0
(
)
wäre ein mit dem Balloninstrument
auÿerhalb der Erdatmosphäre gemessenes Sonnensp ektrum optimal, dieses ist jedo ch
nicht verfügbar. Als b este Näherung für die solare Intensität wird daher ein Sp ektrum
möglichst geringer Luftsäulendichte gewählt (León Sp ektrum Nr. 126894, 16:19:26 UT
2
mit
2
:
65
10
24
Moleküle/cm
2
, SZW=86.4
, Höhe=30.73 km, Kiruna Nr. 129900,
14:03:55 UT mit
5
:
71
10
24
Moleküle/cm
2
, SZW=88.8
, Höhe=28.75 km und Gap
Nr. 133588, 06:44:40 UT mit
2
:
29
10
23
Moleküle/cm
2
, SZW=66.0
Höhe=35.95 km).
Diese Sp ektren werden im folgenden als Fraunhoferreferenzsp ektren b ezeichnet. Der
Fraunhofertko ezient sollte b ei der Auswertung nicht von 1 abweichen, da sich die
Gröÿe der Fraunhoferstrukturen während des Fluges nicht ändert. Der Fitko ezent
eines Sp ektrums kann b eim nichtlinearen Fit des Programmes MFC jedo ch nicht auf
einen festen Wert gelegt werden, dies führt den eigentlich unnötigen Parameter für den
Fraunhofertko ezienten in den Fitprozeÿ ein. Trotz systemb edingt hoher Korrelation
der Fraunhoferreferenz insb esondere mit der Streulichtkorrektur b eträgt die Abwei-
chung des Fitko ezienten von 1 typisch nur einige
10
3
. Bei gröÿerer Abweichung als
1
:
5
10
2
, insb esondere während der Okkultation
3
, wurden die BrO-Fitko ezienten
nicht zur Prolb estimmung verwendet. Die in den jeweiligen Fraunhoferreferenzsp ek-
tren enthaltenen BrO Säulendichten werden in Kapitel 4.5 diskutiert.
3.1.6. Korrektur des Sp ektrographenstreulichtes
Durch die kompakte Bauform b edingt zeigt der UV-Sp ektrograph mit
25
B E
s
während
typischer Direktlichtokkultationssp ektren einen nicht vernachlässigbaren Streulichtan-
teil
S
(
)
innerhalb des Sp ektrographen.
Durch die Filtercharakteristik des eingesetzten 1 mm dicken UG-5 Filters (Fa.
Schott) tragen dab ei vor allem Wellenlängen aus dem nahen Infrarot Licht mit
'
680
nm zum Streulicht b ei, die nachfolgende Gleichung gibt eine Näherung für das
Streulicht. Dab ei b ezeichnet
m
die Nummer der Beobachtung, die übrigen Bezeichnun-
gen sind nach Kapitel 1.1 vorgenommen.
Mit
I
m
(
) =
S
m
(
)
|{z }
S tr eul icht
+
I
;
(
) exp
X
i
i
(
)
n
i
l
m
(3.1)
2
UT Universal time, Universalzeit
3
Okkultation Sonnenaufgang o der Sonnenuntergang
33
3. Auswertung der Meÿsp ektren
folgt in guter Näherung für
S
I
:
ln (
I
m
(
)
S
m
(
))
'
ln
I
m
(
)
S
m
(
)
I
m
(
)
ln
I
m
(
)
'
ln
I
;
(
)
S
m
(
)
I
m
(
)
|{z }
S tr eulichtk or r ek tur
X
i
i
(
)
n
i
l
m
(3.2)
Als Näherung für das jeweilige Sp ektrographenstreulicht
S
m
(
)
während der Ballon-
üge wurde vom Bo den aus ein Streulichtsp ektrum mit direktem Sonnenlicht als Licht-
quelle b estimmt. Die Bezeichnung Streulichtsp ektrum wird auch für die Messung von
im Zenit gestreuten Licht verwendet, hier b ezeichnet es das Streulicht innerhalb des
Sp ektrographen. Zur Bestimmung des Streulichtsp ektrums
S
(
)
wurde ein zusätzlicher
Langpaÿlter UG-550 in den Strahlengang eingefügt (Sp ektrum Nr. 121056). Dieser
Filter entfernt den Wellenlängenb ereich des UV-Sp ektrographen vollständig und nur
no ch der langwellige Streulichtanteil gelangt zur Photo dio denzeile. Durch eine ezi-
entere Einkopp elung ist die absolute Intensität des durch diese Messung b estimmten
Streulichtes mit durchschnittlich 36 BE/s im Bereich von 346 bis 360 nm etwa 50%
höher als während der Meÿüge [
Vradelis
1998]. Das gemessene Streulichtsp ektrum
S(
) in Abbildung 3.3 zeigt, abgesehen von einem durch die geringe Aussteuerung
b edingten Rauschen, eine strukturlose lineare Abhängigkeit
S
(
)
(helle Linie) mit der
Wellenlänge.
320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420
0
10
20
30
40
50
Streulichtintensität [BE/s]
Wellenlänge [nm]
Abbildung 3.3.: Intensität des sichtbaren und infraroten Streulichts innerhalb des UV-Spektrographen
Es werden somit keine Wellenlängen aus dem nahen Infrarotlicht scharf auf die
Photo dio denzeile abgebildet und es tritt lediglich diuses Streulicht innerhalb des
Sp ektrographen auf. Während der Meÿüge wird sich daher die Intensität des diusen
Streulichts ändern, die Form in erster Näherung jedo ch nicht.
Zur Komp ensation des Streulichtso ckels wird daher das invertierte und mit einer
Regression des Streulichtsp ektrum
S
multiplizierte Sp ektrum
S
(
)
I
m
(
)
in den Fit aufge-
nommen. Die Streulichtkorrektur ist vor allem für Direktlichtmessungen mit langen
34
3.1. Mo dellierung der Meÿsp ektren
Lichtwegen wichtig, b ei der für Bo denmessungen üblichen Messung von Zenitstreu-
lichtsp ektren wäre der Streulichtso ckel durch die Wellenlängenabhängigkeit mit etwa
4
:
1
der Rayleighstreuung um einen Faktor von etwa 16 kleiner.
Eine elegantere Metho de der Streulichtunterdrückung bietet die Verwendung eines Vor-
zerlegers. Bei dem vierten Flug in León 98/03/19 und dem fünften Flug in Kiruna
98/08/19 wurde das UG-5 Filter durch einen Vorzerleger mit Quarzprisma ersetzt. Die
Entwicklung des Vorzerlegers wurden im Rahmen der Diplomarb eit von
Vradelis
[1998]
vorgenommen, eine ausführliche Behandlung zur Streulichtproblematik ndet sich dort.
Mit dem Vorzerleger wird eine nahezu vollständige Reduktion des langwelligen Streu-
lichtes erreicht und die Notwendigkeit einer Streulichtkorrektur entfällt.
3.1.7. Polynom und Glättung
Zur Anpassung der sich langsam mit der Wellenlänge ändernden Strukturen wird ein
Polynom dritten Grades in den Fit aufgenommen. Damit der nichtlineare Fit b ei der
Minimierung des Terms (1.4) auf die optimalen Fitko ezienten konvergiert und nicht
die Fitko ezienten für ein lokales Minimum dieses Terms b estimmt, wird vor dem Fit
eine einfache Dreiecksglättung Kanal'
i
=
¼
Kanal
i
1
+
½
Kanal
i
+
¼
Kanal
i
+1
üb er
die Daten vorgenommen (Abb. 3.1). Gemeinsam mit dem Polynom bildet die Drei-
ecksglättung einen Bandpaÿ üb er die Eingangsdaten. Damit ein optimales Signal zu
Rauschverhältnis erreicht wird, wäre es wünschenswert, die Bandpaÿcharakteristik für
die Trennung des Wirkungsquerschnittes in
=
b
und
0
nach Kapitel 1.1 auf die
Strukturen des BrO Sp ektrums anzupassen. Für eine gezielte Anpassung könnte b ei-
spielsweise das Meÿsp ektrum und die angetteten Referenzsp ektren zunächst im Fou-
rierraum mit dem Absolutwert des Fouriersp ektrums von BrO multipliziert werden und
danach eine Rücktransformation vorgenommen werden. Nach dieser linearen Op eration
enthalten die Sp ektren nur no ch Informationen, die p otentiell von einer BrO Absorption
verursacht sein könnten, Interferenzen und Rauschen mit nicht passender Wellenlängen-
charakteristik werden unterdrückt. Die in das Programmpaket MFC [
Gomer et al.
1993]
integrierte schnelle Fouriertransformation erfordert, die Anzahl der Kanäle der Sp ek-
tren auf Potenzen von zwei zu b eschränken. Wenn der gewählte Wellenlängenb ereich
nicht einer Zweierp otenz von Kanälen entspricht, b edingt dies eine
Dehnung
bzw.
Stau-
chung
der Sp ektren. Diese wird im Programmpacket MFC mit kubischer Interp olation
vorgenommen und kann möglicherweise Artefakte einführen. Die Fourieranalyse setzt
zudem voraus, daÿ das untersuchte Intervall (die Sp ektren) p erio disch fortgesetzt ist.
Dies b edeutet, daÿ jeweils die Kanäle links und rechts im Sp ektrum aneinandergrenzen.
Damit das Fouriersp ektrum dann nicht durch einen Term dominiert wird, der durch
einen Sprung an den Bereichsgrenzen b edingt ist (typisch:
P
n>
0
sin
(
n x
)
n
[
Bronstein und
Semendjajew
1979]), müssen die Sp ektren zunächst geeignet an den Fitgrenzen auf
den gleichen Wert gesetzt werden. Gängige Metho den, wie etwa die Multiplikation
der Sp ektren mit einem Term sin
(
i
k
links
k
r echts
k
links
)
o der sin
2
(
i
k
links
k
r echts
k
links
)
, führen dazu,
daÿ Information am Rand des Fitb ereichs nicht o der mit einem geringeren Wichtungs-
faktor genutzt wird. Wird, um dies zu vermeiden, eine Ausweitung des Fitb ereiches
unternommen, entstehen in Richtung kleinerer Wellenlängen b ei der BrO Auswertung
Probleme durch die Temp eraturabhängigkeit der O
3
Absorption und in Richtung gröÿe-
rer Wellenlängen eine Interferenz mit der O
4
Absorption. Im Fall der Subtraktion eines
dreiecksförmigen So ckels werden lediglich die Werte an den Fitgrenzen nicht jedo ch
35
3. Auswertung der Meÿsp ektren
deren Ableitungen angepaÿt.
Nach Lösung dieser Probleme könnte die Filterung im Fourierraum durch die Elimina-
tion der Fitko ezienten des Polynoms ein b esseres Signal- zu Rauschverhältnis ermög-
lichen. Für die BrO Auswertung stellt dieses mit einer Rauschen des Fitko ezienten
(Abschnitt 3.2.6) von typisch 3% keinen Engpaÿ dar, so daÿ hier nach miÿglückten
Versuchen auf die Fourierlterung verzichtet wurde.
3.1.8. Ringeekt
Die solare Eingangsintensität
I
;
(
)
zeigt eine starke Wellenlängenabhängigkeit
(Fraunhoferstrukturen). Werden die Photonen in der Erdatmosphäre lediglich ela-
stisch gestreut o der ab er vollständig absorbiert und wird der Photonenweg in Näherung
wellenlängenunabhängig angenommen, dann sollten die Fraunhoferlinien in Zenitstreu-
licht und Direktlichtsp ektren die gleiche optische Dichte aufweisen. Bei Messungen
des Zenitstreulichtes werden jedo ch Fraunhoferlinien mit geringerer optischer Dichte
b eobachtet. Diese als Ring-Eekt [
Grainger und Ring
1962] b ezeichnete Auüllung
der Fraunhoferlinien läÿt sich durch Rotations Raman Streuung erklären [
Bussemer
1993] und [
Fish und Jones
1995]. Bei Direktlichtsp ektren ist der Anteil des Rotations
Raman gestreuten Lichtes vernachlässigbar klein, [
Bauer
1997;
Pundt et al.
1998], in
den Satz von Referenzsp ektren wird daher kein Ringsp ektrum aufgenommen.
Ähnlich wie das Ringsp ektrum führt auch die Korrektur für das Sp ektrographen-
streulicht zu einer Auüllung der Fraunhoferlinien. Fraunhoferreferenzsp ektrum, Streu-
lichtkorrektur und Ringsp ektren sind somit drei korrelierte Sp ektren. Da der Fitko ef-
zient des Fraunhoferreferenzsp ektrums b eim Fit im Programm MFC nicht festgelegt
werden kann, sind die Ko ezienten der drei korrelierten Sp ektren insgesamt nur unge-
nau b estimmbar. Der Anteil des Ringsp ektrums kann dadurch nicht direkt üb erprüft
werden.
3.1.9. I
;
-Eekt
Neb en dem Ringeekt ist mit der starken Wellenlängenabhängkeit der solare Eingangs-
intensität I
;
(
)
der sogenannte I
;
-Eekt [
Johnston
1997] verbunden. Bei der Aufnahme
von Lab or- und Literaturreferenzsp ektren werden b evorzugt Lichtquellen verwendet,
die eine möglichst geringe Wellenlängenabhängigkeit der Intensität aufweisen. Bei der
Nutzung der Sonne als Lichtquelle können die Fraunhoferstrukturen dagegen durch
die geringere optische Auösung des Sp ektrografen nicht aufgelöst werden. Dies führt
zusammen mit der Extinktion durch Absorb er wie etwa dem NO
2
, mit einer Wellenlän-
genabhängigkeit, die eb enfalls unterhalb des Auösungsvermögens des Sp ektrografen
liegt, dazu, daÿ die tatsächliche Optische Dichte nicht mehr exakt mit einer NO
2
Lab or-
referenz mo delliert werden kann.
Bisher sind keine hinreichend aufgelösten BrO und NO
2
Lab orreferenzsp ektren unter
stratosphärischen Bedingungen und kein extraterrestrisches Fraunhofersp ektrum publi-
ziert, so daÿ eine numerische Korrektur zur Zeit nicht möglich ist. Eine numerische
Simulation des I
;
-Eektes durch BrO wird in der Diplomarb eit von
Vradelis
[1998]
gegeb en, die Simulation dort b eruht auf einem hyp othetischen BrO Sp ektrum. Eine
Näherung für die Korrektur des durch NO
2
b edingten I
;
-Eektes gibt die Diplomar-
b eit von
Frieÿ
[1997], führt jedo ch nicht zu deutlich geringeren Reststrukturen.
36
3.2. Ergebnisse der Sp ektrenauswertung
3.1.10. Dunkelstrom
Die Ladung der Photo dio den des Detektors wird auÿer durch den Photostrom auch
durch den sogenannten Dunkelstrom abgebaut. Der durch ungewollte Fehlstellen im
Halbleiter o der Leckströme auf der Detektorob eräche b edingte Dunkelstrom halbiert
sich jeweils b ei einer Temp eratursenkung um etwa
5
:
5
C, durch die Peltierkühlung
auf
10
C liegt der Dunkelstrom b ei
5
:
10
BE pro Sekunde. Bei evakuiertem Sp ek-
trographen liegt die mittlere quadratische Abweichung des Dunkelstroms b ei lediglich
0
:
1
BE pro Sekunde. Verglichen damit b etragen die Photoströme während typischer
Ballonmessungen etwa
(1
2)
10
5
BE pro Sekunde, so daÿ die Dunkelstromkor-
rektur unproblematisch ist. Durch die Verwendung einer oenen Photo dio denzeile
ohne schützendes Saphirfenster ist die gekühlte Photo dio denzeile b ereits gegen geringe
Wasserdampfkonzentration empndlich, sie zeigt dann einen deutlich erhöhten Dun-
kelstrom.
3.1.11. Oset
Wie b ereits in Abbildung 2.9 gezeigt, ist der Oset der Meÿsp ektren während der
drei Flüge weitgehend konstant. Die durch eine einzelne Auslesung gewonnenen Sp ek-
tren sind durch einen automatischen Aussteuerungmo dus mit einer Aussteuerung von
jeweils etwa
5
10
4
BE aufgenommen. Um die zu üb ertragene Datenmenge zu redu-
zieren, werden durch die PDZ-Controler während eines typischen Meÿzyklus jeweils
1030 Sp ektren addiert und dann als einzelnes Sp ektrum mit entsprechend höherer
Aussteuerung abgesp eichert. Von diesem Sp ektrum wird ein mit der Anzahl der ent-
haltenen Sp ektren multipliziertes Osetsp ektrum subtrahiert.
3.2. Ergebnisse der Sp ektrenauswertung
3.2.1. Fitko ezienten während der Meÿüge
Die folgenden Abschnitte zeigen die durch den nichtlinearen Fit b estimmten Fitko e-
zienten während der Meÿüge. Zum Verständnis des zeitlichen Verlaufes der Fitko e-
zienten sind die zu Beginn von Kapitel 4 gezeigten Flugdaten hilfreich.
León
Die Abbildung 3.4 zeigt den Verlauf der Fitko ezienten während des Fluges León
96/11/23. In der Nähe des Referenzsp ektrums um 16:19:26 UT weisen die Ko ezi-
enten Werte von 1 für den Fraunhofertko ezient, Minima für das Residuum sowie
Nulldurchgänge für die b estimmten Spurenstosäulendichten auf.
Während des gesamten Fluges bleib en die Abweichungen des Fraunhofertko ezi-
enten unter 1%. Die O
3
Absorptionen weisen im Fitb ereich eine Temp eraturabhängig-
keit auf, zur Bestimmung der O
3
Säulendichten ist der Bereich des Vis-Sp ektrographen
geeigneter, so daÿ die angetteten O
3
Sp ektren hier nur zur Reduktion des Residuums
dienen.
Ähnliches gilt für das NO
2
Sp ektrum, die NO
2
Spurenstosäulen wurden im Bereich
von 422465 nm in der Diplomarb eit von
Schneider
[1997] ausgewertet. Nachdem das
37
3. Auswertung der Meÿsp ektren
0.99
0.992
0.994
0.996
0.998
1
1.002
1.004
1.006
1.008
1.01
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
Fitkoeffizient
Fraunhoferreferenz
−0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
O3(193K)
−0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
O3(253K)
−2e+16
0
2e+16
4e+16
6e+16
8e+16
1e+17
1.2e+17
1.4e+17
1.6e+17
1.8e+17
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
NO2
−1e+14
0
1e+14
2e+14
3e+14
4e+14
5e+14
6e+14
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
Fitkoeffizient [Moleküle/cm2]
Universalzeit
BrO
−0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
Streulicht
1e−08
1e−07
1e−06
1e−05
0.0001
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
χ2
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
0.0035
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
Max−Min Optische Dichte
Residuum
−0.12
−0.1
−0.08
−0.06
−0.04
−0.02
0
0.02
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
Kanäle
Verschiebung
−8
−7
−6
−5
−4
−3
−2
−1
0
1
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
[10−5]
Universalzeit
Dehnung
Abbildung 3.4.: Fitkoezienten während des Fluges León 96/11/23
38
3.2. Ergebnisse der Sp ektrenauswertung
Balloninstrument gegen Ende des Fluges b ereits vom Ballon getrennt wurde (Abb. 4.5)
und sich in nahezu freiem Fall b efand, konnten no ch zwei Sp ektren aufgenommen wer-
den, sie weisen erneut geringere NO
2
Säulendichten auf. Dies ist ein Hinweis darauf,
daÿ sich das Balloninstrument vor der Trennung no ch unterhalb des Maximums der
NO
2
Konzentration b efunden hat.
Der Fitko ezient der Streulichtkorrektur läÿt sich, da die Berechnung der Korrektur
für jedes Sp ektrum einzeln vorgenommen wird (Kapitel 3.1.6), nicht direkt als Ko e-
zient eines konstanten Referenzsp ektrums interpretieren, mit hohen Werten zu Beginn
und Ende des Fluges, wenn sich vergleichsweise viele Moleküle im Lichtweg b enden,
zeigt er denno ch den erwarteten Verlauf.
Kiruna
Abbildung 3.5 zeigt den Verlauf der Fitko ezienten während des Fluges in Kiruna.
Der Fraunhofertko ezient sowie die O
3
Fitko ezienten zeigen einen ähnlichen Ver-
lauf wie während des Fluges von León, die Abweichung des Fraunhofertko ezienten
sind jedo ch etwa dopp elt so groÿ. Der NO
2
Fitko ezient zeigt während der letzten
Beobachtungen eine deutliche Abnahme, dies deutet darauf hin, daÿ der Lichtweg ein
NO
2
Maximum unterhalb der Ballonughöhe durchquert. Der BrO Fitko ezient ist,
wie auch die O
3
Fitko ezienten, unter anderem b edingt durch die höheren Sonnen-
zenitwinkel, gröÿer als in León. Durch die gegenüb er León geringere Aussteuerung der
Sp ektren wird in der Nähe des Fraunhoferreferenzsp ektrums um 14:03:55 UT ein etwas
gröÿeres Minimum für die Reststruktur bzw. für
2
(s. u.) b eobachtet.
Die Änderung der Verschiebungs- und Dehnungsko ezienten um 13:38:20 UT ist
durch die Erhöhung der Solltemp eratur der Photo dio denzeilen b edingt (Abb. 2.6).
Darüb er hinaus zeigt die Änderung der Photo dio denzeilentemp eratur keinen nennens-
werten Einuÿ auf die Gröÿe der Reststruktur o der die übrigen Fitko ezienten.
Gap
Die Abbildung 3.6 zeigt den Verlauf der Fitko ezienten während des Fluges in Gap.
Der Fraunhofertko ezient weist nur während der ersten b ei Sonnenaufgang vorge-
nommenen Beobachtungen Werte kleiner 0.985 auf. Die schrägen Säulendichten von
O
3
, NO
2
und BrO zeigen, eb enso wie der Fitko ezient des Streulichtsp ektrums, hohe
Werte b ei den ersten Messungen und nehmen dann auf Werte um Null ab.
Die Werte für das Residuum (und damit
2
) nehmen in der Phase des Sonnen-
aufgangs relativ schnell ab, um dann langsamer auf ein Minimum in der Nähe des
Referenzsp ektrums (06:44:40 UT) zuzulaufen. Die Streuung von
2
in der Nähe des
Referenzsp ektrums zeigen, daÿ der nichtlineare Fit Probleme hat, b ei geringen opti-
schen Dichten die optimalen Fitko ezienten zu b estimmen.
Durch die groÿen Flughöhen während des Fluges in Gap nden nur geringe Ände-
rungen des Auÿendruckes statt. Die sprunghaften Änderungen des Verschiebungsko e-
zienten von jeweils etwa
0
:
2
pm sind daher vermutlich auf sich sprunghaft ausgleichende
mechanische Spannungen innerhalb des Sp ektrographen zurückzuführen.
39
3. Auswertung der Meÿsp ektren
0.965
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
0.995
1
1.005
1.01
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
Fitkoeffizient
Fraunhoferreferenz
−0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
O3(193K)
−0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
O3(253K)
−2e+16
0
2e+16
4e+16
6e+16
8e+16
1e+17
1.2e+17
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
NO2
−2e+14
0
2e+14
4e+14
6e+14
8e+14
1e+15
1.2e+15
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
Fitkoeffizient [Moleküle/cm2]
Universalzeit
BrO
−0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
Streulicht
1e−07
1e−06
1e−05
0.0001
0.001
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
χ2
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
Max−Min Optische Dichte
Residuum
−0.09
−0.08
−0.07
−0.06
−0.05
−0.04
−0.03
−0.02
−0.01
0
0.01
0.02
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
Kanäle
Verschiebung
−20
−15
−10
−5
0
5
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
[10−5]
Universalzeit
Dehnung
Abbildung 3.5.: Fitko ezienten während des Fluges Kiruna 97/02/14
40
3.2. Ergebnisse der Sp ektrenauswertung
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
0.995
1
1.005
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
Fitkoeffizient
Fraunhoferreferenz
−0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
O3(193K)
−0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
O3(253K)
−5e+16
0
5e+16
1e+17
1.5e+17
2e+17
2.5e+17
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
NO2
−5e+13
0
5e+13
1e+14
1.5e+14
2e+14
2.5e+14
3e+14
3.5e+14
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
Fitkoeffizient [Moleküle/cm2]
Universalzeit
BrO
−0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
Fitkoeffizient [willk. Einh.]
Streulicht
1e−08
1e−07
1e−06
1e−05
0.0001
0.001
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
χ2
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
Max−Min Optische Dichte
Residuum
−0.014
−0.012
−0.01
−0.008
−0.006
−0.004
−0.002
0
0.002
0.004
0.006
0.008
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
Kanäle
Verschiebung
−12
−10
−8
−6
−4
−2
0
2
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
[10−5]
Universalzeit
Dehnung
Abbildung 3.6.: Fitkoezienten während des Fluges Gap 97/06/20
41
3. Auswertung der Meÿsp ektren
3.2.2. Bestimmung der Photo dio denkapazität üb er
2
Der Parameter
2
=
P
391
i
=251
(
x
i
m
i
)
2
(mit dem Index
i
für die Photo dio den,
x
i
der
Optischen Dichte b ei Dio de
i
,
m
i
der durch den nichtlinearen Fit mo dellierten opti-
schen Dichte) ist ein Maÿ für die Güte des Fits. Der während des Fluges in León in
der Nähe der Fraunhoferreferenz erreichte Wert von
2
= (8
:
41
0
:
4)
10
7
ent-
spricht einer Standardabweichung der Reststruktur von
=
q
P
391
i
=251
(
x
i
m
i
)
2
141
1
=
p
140
'
(2
:
45
0
:
06)
10
5
. Die b eobachtete Standardabweichung
der Reststruktur ist in der
Nähe des Fraunhoferreferenzsp ektrums b egrenzt durch die Zahl
N
der Photo elektronen
auf der jeweiligen Photo dio de. Es gilt
'
1
p
N
p
2
p
2
p
140
13
p
140
. Dab ei ist der Faktor
p
2
im
Zähler dadurch b edingt, daÿ sowohl das Photo elektronenrauschen des Fraunhoferrefe-
renzsp ektrums als auch das des angetteten Sp ektrums b eitragen, der Faktor
p
2
im
Nenner ist durch die Dreiecksglättung (Kapitel 3.1.7) verursacht. Durch den letzten
Korrekturfaktor wird b erücksichtigt, daÿ von den zunächst 141 unabhängigen Kanälen
durch den nichtlinearen Fit b ereits 13 Freiheitsgrade entfernt wurden.
Aus der Standardabweichung der Reststruktur läÿt sich daher eine Abschätzung
für die Mindestzahl
N
der Photo elektronen in den aufgenommenen Sp ektren geb en, sie
b eträgt hier
N
(1
:
51
0
:
04)
10
9
, dies entspricht b ei einem aus den Herstellerangab en
b estimmten Konvertierungsfaktor von
2074
e
BE
(Kapitel 2.7) einer Aussteuerung von
mindestens
(7
:
28
0
:
2)
10
5
BE für die Sp ektren. Dies ist gröÿer als die durchschnitt-
liche Aussteuerung in Nähe des Fraunhoferreferenzsp ektrums von etwa
6
:
26
10
5
BE,
vermutlich ist daher die tatsächliche Photo dio denkapazität C
Dio de
etwas gröÿer als die
vom Hersteller angegeb enen
10
pF und b eträgt wenigstens C
Dio de
=
11
:
6
0
:
2
pF.
3.2.3. Dehnung der optischen Abbildung
−20
−15
−10
−5
0
5
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
δ [10−5]
Universalzeit
Dehnung δ
Abbildung 3.7.: Dehnung der optischen Abbildung des UV-Sp ektrographen während des Fluges von
Kiruna
42
3.2. Ergebnisse der Sp ektrenauswertung
Die Abbildung 3.7 zeigt den dimensionslosen Dehnungsko ezient
der optischen
Abbildung des UV-Sp ektrographen b ei der Änderung der Solltemp eratur von
10
C
auf
2
:
5
C (Abb. 2.6) während des Fluges von Kiruna. Üb er den Sprung des Deh-
nungsko ezienten von etwa
1
:
8
10
5
kann der Ausdehnungsko ezient
der Photo-
dio denzeile b estimmt werden, er b eträgt
P D Z
= 2
:
4
10
6
=
K. Der Literaturwert [
Lax
1967] für Silizium b eträgt
S i;
25
C
= 2
:
53
10
6
=
K. In Anb etracht des durch den Aus-
fall der Kühlmittelpump e verursachten unfreiwilligen Exp erimentes ist dies eine gute
Üb ereinstimmung.
3.2.4. Verschiebung der optischen Abbildung
−12
−10
−8
−6
−4
−2
0
2
4
04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
Verschiebung des UV−Spektrographen [pm]
Universalzeit
León 96/11/23
Kiruna 97/02/14
Gap 97/06/20
Abbildung 3.8.: Wellenlängenverschiebung des UV-Sp ektrographen gegenüb er dem Fraunhoferrefe-
renzsp ektrum des Fluges von Kiruna
Die Abbildung 3.8 zeigt die üb er den nichtlinearen Fit an das Fraunhoferreferenz-
sp ektrum des Fluges in Kiruna b estimmte Wellenlängenverschiebung. Die geringe Ver-
schiebung zwischen den Meÿügen zeigt, daÿ der optische Aufbau die b ei der Landung
typischen Beschleunigungen von mehr als 10 g gut üb erstanden hat. Wellenlängenver-
schiebungen dieser Gröÿe zwischen einzelnen Meÿkampagnen gelten auch b ei b o denge-
stützten Sp ektrographen als niedrig. Die in Kiruna und León b eobachtete Verschiebung
ist dominiert durch die Druckänderung während des Ballonaufstieges, die Verschiebung
von etwa 2 pm während des Sonnenuntergangs ist thermisch b edingt. Eine Verschiebung
etwa gleicher Gröÿe mit umgekehrten Vorzeichen tritt während des Sonnenaufgangs in
Gap auf.
Der Verschiebungsko ezient ist, wie auch der Dehnungsko ezient aus den
Abbildungen 3.4 3.6, somit insgesamt von den systematischen thermischen und
druckb edingten Änderungen b estimmt. Könnten die üb er den Verlauf einer Beob-
achtungsreihe geglätteten Verschiebungs- und Dehnungsko ezienten als b ekannte
Parameter in den jeweiligen Fit eingeführt werden, ergäb en sich drei Vorteile.
43
3. Auswertung der Meÿsp ektren
Zunächst sind die Verschiebungs- und Dehnungsko ezienten durch die Glättung
genauer b estimmt als dies aus der Minimierung der Reststruktur b ei jeweils einer
einzelnen Beobachtung möglich ist. Zweitens erhöht sich, da die Zahl der Fitpara-
meter reduziert ist, die Genauigkeit der übrigen Fitko ezienten. Drittens würde der
nichtlineare Fit auf einen linearen Fit reduziert. Lokale Minima der Gleichung (1.4),
die b eim nichtlinearen Fit dazu führen können, daÿ die Fitko ezienten nicht auf den
optimalen Wert konvergieren, treten damit nicht mehr auf. Da der nichtlineare Fit
während der BrO Auswertung typisch 2050 Iterationen üb er jeweils einen linearen
Fit zur Konvergenz b enötigt, ist hiermit eine Reduktion der Rechenzeit um mehr als
eine Gröÿenordnung verbunden. Dies ist insb esondere für die Auswertung von Satel-
litenb eobachtungen, die während des Orbits eb enfalls systematische Verschiebungen
der optischen Abbildung aufweisen können, ein unmittelbarer Vorteil.
3.2.5. Sensitivität des BrO Fitko ezienten gegenüb er der
Wellenlängeneichung der Referenzsp ektren
Vom vorigen Absatz zu unterscheiden ist die durch die nicht exakte Wellenlängen-
eichung einzelner Referenzsp ektren verursachte Abweichung des Fitko ezienten. Die
Abbildung 3.9 zeigt eine Abschätzung des Einusses einer möglicherweise fehlerhaf-
ten Wellenlängeneichung der O
3
, NO
2
, O
4
und BrO Referenzsp ektren. Der jeweilige
2.15
2.2
2.25
2.3
2.35
2.4
2.45
−0.05 −0.02 0 0.02 0.05
BrO Säulendichte 1014 Moleküle/cm2
(ohne Referenz)
Verschiebung [nm]
Kiruna 97/02/14 12:30:36
O3
NO2
O4
BrO
Abbildung 3.9.: Änderung des BrO Fitko ezienten b ei Verschiebung der Referenzsp ektren
Einuÿ der Wellenlängeneichung auf den BrO Fitko ezienten ist abhängig von der
konkreten Beobachtungsituation. Bendet sich die sp ektroskopierte Lichtweg ob erhalb
der NO
2
und O
3
Maxima in der Stratosphäre ist der Einuÿ der Wellenlängenkali-
brierung entsprechend geringer. Das hier angeführte Sp ektrum aus Kiruna (vgl. 3.2)
kann daher nur ein Beispiel sein, hier üb erwiegt der Einuÿ der NO
2
Wellenlängen-
eichung. Unter Berücksichtigung der BrO Säulendichte in der Fraunhoferreferenz von
8
:
96
10
13
Moleküle/cm
2
b eträgt der Fehler b ei einer angenommenen Fehlkalibrierung
von 0.01 nm entsprechend 0.1 Kanälen etwa 1% des BrO Fitko ezienten. Unter den
44
3.2. Ergebnisse der Sp ektrenauswertung
für León typischen Bedingungen mit gröÿerer NO
2
Säulendichte und geringerer BrO
Säulendichte liegt der Fehler b ei durchschnittlich etwa 3% der BrO Säulendichte.
3.2.6. Fehlerabschätzung
Der nichtlineare Fit liefert eine Abschätzung für den
1
Fehler der Fitko ezienten unter
der Annahme einer statistisch verteilten Reststruktur. In Abbildungen 3.12 bis 3.14
wird jedo ch deutlich, daÿ systematische Reststrukturen auftreten. Zu Abschätzung des
tatsächlichen Fehlers muÿ daher eventuell ein Korrekturfaktor
K
für den (1
) Fitfehler
verwendet werden. Numerische Simulationen an synthetischen Sp ektren [
Stutz
1996]
liefern, abhängig von der typischen Halbwertsbreite der Sp ektren und des Residuums,
Korrekturfaktoren zwischen 1 und maximal 5 für den Fitfehler.
In der Publikation von
Hausmann et al.
[1997] wird die zyklische Verschiebung der
Reststruktur zur Abschätzung des Fitfehlers vorgeschlagen. Hier wird diese Metho de
dazu b enutzt, einen typischen Wert für den Korrekturfaktor für die vorliegenden Rest-
strukturen zu b estimmen. Dafür wurde die Reststruktur zunächst vom logarithmierten
Sp ektrum subtrahiert, dann im Fitb ereich zyklisch verschob en, erneut addiert und ein
weiterer Fit durchgeführt.
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Mittel (4.94+-0.74)x1013
Fitkoeffizient für León 126445 bei
zyklisch verschobener Reststruktur
MFC Fitkoeffizient (4.93+-0.64)x1013
mittl. MFC Standardabw. 0.60x1013
BrO Säulendichte [1013cm-2]
Verschiebung der aufaddierten Reststruktur [Kanäle]
Abbildung 3.10.: BrO Fitko ezient b ei zyklischer Verschiebung der Reststruktur
Die Abbildung 3.10 zeigt den BrOFitko ezienten für Sp ektrum Nr. 126445 (León,
7.7 km Flughöhe) in Abhängigkeit der Verschiebungsweite. Der durch zyklische Ver-
schiebung ermittelte Fitko ezient liegt b ei
4
:
94
10
13
Moleküle
=
cm
2
nahe am durch
das MFC ausgegeb enen nichtlinearen Fitergebnis von
4
:
93
10
13
Moleküle
=
cm
2
. Die
Abschätzung für den (
1
) Fehler des Fitko ezienten b eträgt
0
:
64
10
13
Moleküle
=
cm
2
für Sp ektrum Nr. 126445 (bzw.
0
:
60
10
13
Moleküle
=
cm
2
für 10 Sp ektren um
Nr. 126445) gegenüb er einer Standardabweichung von
0
:
73
10
13
Moleküle
=
cm
2
des
Fitko ezienten b ei zyklisch verschob ener Reststruktur. Die geringe Abweichung
b edeutet, daÿ die systematische Reststruktur kaum mit dem BrO Sp ektrum inter-
feriert und die von MFC ausgegeb enen Fitfehler nahezu unverändert üb ernommen
45
3. Auswertung der Meÿsp ektren
werden können (
K
=1.2).
Die Fitko ezienten aufeinanderfolgender Sp ektren unterscheiden sich deutlich
weniger als der Fitfehler voneinander. Da b ei der Prolb estimmung im wesentlichen
die Dierenz aufeinanderfolgender Spurenstosäulen gewichtet mit dem jeweili-
gen Lichtweg verwendet wird, wird der Fitfehler von einem hier als Fitpräzision
b ezeichneten Fehler unterschieden.
15:00 15:30 16:00 16:30
-2
-1
0
1
2
Säulendichte-Säulendichteinterpoliert
Relative Differenz
Differenz der BrO Säulendichten [1013/cm2]
Universalzeit
0
2
4
6
8
10
12
14
Leon 96/11/23
Relative Differenz der BrO Säulendichten [%]
Abbildung 3.11.: Statistisches Rauschen des BrO Fitko ezienten während des Fluges León 96/11/23
Zur Bestimmung der Fitpräzision wird der Fitko ezient zunächst in einer Nach-
barschaft von 10 Fitko ezienten linear interp oliert und dann die mittlere Standardab-
weichung von der Interp olationsgeraden ermittelt. Die mit der Fitpräzision statt des
Fitfehlers versehenen Fitko ezienten bilden die Eingangsdaten zur Prolb estimmung.
Das während des Ballonaufstieges von León ermittelte statistische Rauschen des BrO
Fitko ezienten Abbildung 3.11 zeigt einen Anteil von typisch 3% der jeweiligen BrO
Säulendichte.
Der systematische Fehler wird nach der Bestimmung der BrO Konzentration und
des Konzentrationsproles b erücksichtigt. Er setzt sich aus folgenden einzelnen (1
)
Beiträgen zusammen: dem Fehler durch eine möglicherweise nicht korrekten Wellenlän-
geneichung der Referenzsp ektren (Abschnitt 3.2.5) von etwa 3%, einem Fehler durch
die Temp eraturabhängigkeit des Wirkungsquerschnittes von BrO von etwa 2%, dem
Fehler durch die Höhenb estimmung mit dem GPS-System von etwa 1.5%, dem Fehler
für die Druckb estimmung üb er den Drucksensor von etwa 2% für die ersten b eiden
Flüge und etwa 8% für den dritten Flug, dem durch den nichtlinearen Fit b estimm-
ten Fehler (korrigiert üb er den durch Abbildung 3.10 b estimmten Korrekturfaktor)
von etwa 10% der jeweiligen BrO Säulendichte, sowie einen auf etwa 10% geschätz-
ten Fehler für die Wahl verschiedener O
3
und NO
2
Referenzsp ektren. Insgesamt wird
in dieser Arb eit ein (1
) Fehler von 18% für die b estimmten BrO Konzentrationen
angenommen. Nicht in diesem Fehler enthalten ist die in Abschnitt 3.1.4 diskutierte,
möglicherweise notwendige Skalierung des BrO Wirkungsquerschnittes um etwa 10%.
46
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
3.3.1. Reststrukturen während der Meÿüge
León
Die Abbildung 3.12 zeigt die Reststrukturen der BrO Auswertung während des Fluges
von León. Die ersten no ch in der Trop osphäre aufgenommenen Sp ektren zeigen Rest-
strukturen von etwa
10
3
optischer Dichte (MaxMin). Die Reststrukturen der stra-
tosphärischen Messungen während des Aufstieges von 12.8 km bis 25 km Höhe weisen
untereinander eine ähnliche Form auf, deren Gröÿe in Richtung auf das Fraunhofer-
referenzsp ektrum abnimmt. In unmittelbarer Nähe des Fraunhoferreferenzsp ektrums
b ei einem Sonnenzenitwinkel von
86
:
4
werden unsystematische Strukturen mit etwa
10
4
optischer Dichte b eobachtet. Die b ei der Gleichgewichtshöhe von 30.7 km gezeigte
Reststruktur ist die Restruktur eines 20 s vor Aufnahme des Fraunhoferreferenzsp ek-
trums gemessenen Sp ektrums. Während der Okkultation nehmen die Reststrukturen
erneut auf etwa
3
10
3
optischer Dichte zu.
Kiruna
Die Reststrukturen des Fluges in Kiruna zeigen mit Abbildung 3.13 einen ähnlichen
zeitlichen Verlauf und ähnliche Wellenlängenabhängigkeit wie während des Fluges in
León. Insb esondere die Reststrukturen der Okkultationssp ektren weisen eine hohe Ähn-
lichkeit mit denen des Fluges in León auf.
Gap
Die Reststrukturen des Fluges in Gap in Abbildung 3.14 b eginnen mit zunächst hohen
Optischen Dichten während des Sonnenaufgangs und nehmen dann monoton in Rich-
tung kleinerer Sonnenzenitwinkel ab. Zwischen 92
und 75
SZW werden bis auf die
Amplitude fast identische Reststrukturen b eobachtet. Bei Sonnenzenitwinkeln
>
92
scheinen andere Absorptionen in den Lichtweg zu gelangen, deutlich wird dies an der
etwa 0.8 nm breiten Struktur b ei 358 nm des Okkultationssp ektrums b ei
94
:
5
SZW.
47
3. Auswertung der Meÿsp ektren
346 350 354 358 362
7.0 km
10.0 km
12.8 km
15.8 km
20.0 km
25.0 km
86.4°
89.0°
90.0°
91.0°
92.0°
92.5°
93.0°
1
0
-1
SZW
Gleichgewichtshöhe, 30.7 km
Aufstieg
Sonnenuntergang, 30.7 km
Differentielle optische Dichte [10-3]
Wellenlänge [nm]
Abbildung 3.12.: Optische Dichten ausgewählter Reststrukturen während des Fluges León 96/11/23.
Für die Reststrukturen während des Ballonaufstieges ist die jeweilige Höhe des Bal-
loninstrumentes angeführt, nach Erreichen der Gleichgewichtshöhe ist der jeweilige
Sonnenzenitwinkel angegeb en
48
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
346 350 354 358 362
4.5km
7 km
10 km
13 km
16 km
20 km
25 km
28.7 km
90°
91.0°
92.0°
92.5°
93.0°
93.5°
1
0
-1
SZW
Gleichgewichtshöhe, 30.2 km
Aufstieg
Sonnenuntergang, 29.8 km
Differentielle optische Dichte [10-3]
Wellenlänge [nm]
Abbildung 3.13.: Optische Dichten ausgewählter Reststrukturen während des Fluges Kiruna 97/02/14
49
3. Auswertung der Meÿsp ektren
346 350 354 358 362
94.5°
94°
93°
92°
91°
90°
88°
85°
80°
75°
70°
65°
60°
1
-1
0
SZW
Abstieg bis 31.1 km Flughöhe
Sonnenaufgang in 39 km Flughöhe
Differentielle optische Dichte [10-3]
Wellenlänge [nm]
Abbildung 3.14.: Optische Dichten ausgewählter Reststrukturen während des Fluges Gap 97/06/20
50
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
Einuÿ der Reststrukturen auf den BrO Fitko ezienten
15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0 a) Normaler Fit
b) mit Reststruktur 126445
c) mit Reststruktur 126580
Residuum (Max - Min) [10-3]
Universalzeit
Abbildung 3.15.: Gröÿe des Residuums während des Fluges León 96/11/23 a.) Fit wie zur Auswertung
verwendet, b.) zusätzlich eine Reststruktur aus 7.7 km Höhe in den Fit aufgenommen,
c.) zusätzlich eine Reststruktur aus 15.8 km Höhe in den Fit aufgenommen. Die in
den Fit aufgenommenen Reststrukturen und das Fraunhoferreferenzsp ektrum sind
durch das entsprechende Symb ol und auf der Abszisse markiert
Die ähnlichen Formen der Reststrukturen legen die Vermutung nahe, daÿ die Gröÿe
der Reststrukturen während der gesamten Meÿüge durch die Aufnahme einer dieser
Reststrukturen in den Fit reduziert werden kann. Am Beispiel des Fluges von León,
b ei dem eine unterschiedliche Form der Reststrukturen während der trop osphärischen
und stratosphärischen Messungen (Abbildung 3.12) b eobachtet wurde, wird dies mit
zwei verschiedenen Reststrukturen untersucht.
Die Abbildung 3.15 zeigt die Gröÿe der Fitresiduums während des Fluges von León.
Zusätzlich zum normalen Fit a) ist in b) zusätzlich die Reststruktur eines trop osphä-
rischen Sp ektrums aus 7.7 km Höhe und in c) die Reststruktur eines Sp ektrums der
unteren Stratosphäre in 15.8 km Höhe (Abbildung 3.12) als zusätzliches Referenz-
sp ektrum in den Fit aufgenommen. Das gleichzeitige Antten der trop osphärischen
Reststruktur verringert das Fitresiduum innerhalb der Trop osphäre, jedo ch wird das
Residuum innerhalb der Stratosphäre kaum reduziert. Die Aufnahme der Reststruk-
tur in der unteren Stratosphäre in den Satz von Referenzsp ektren führt während der
gesamten stratosphärischen Messungen zu geringeren Reststrukturen. Die Dierenz der
Reststrukturen aus 7.7 km und 15.8 km Höhe könnte einen Anhaltspunkt für eine tro-
p osphärische Absorption liefern, zeigt jedo ch Strukturen, die unterhalb der optischen
Auösung des Sp ektrographen liegen.
Abbildung 3.16 zeigt ein Korrelationsdiagramm der Auswertungen. Die BrO Säu-
lendichte der Auswertung ohne zusätzliche Reststruktur bildet die Abszisse, die Ordi-
nate sind die mit den zusätzlichen Reststrukturen b estimmten BrO Säulendichten. Die
51
3. Auswertung der Meÿsp ektren
0 1 2 3 4 5 6
0
1
2
3
4
5
6
mit Reststruktur 126445
mit Reststruktur 126580
BrO Säulendichte [1014Moleküle/cm2]
BrO Säulendichte [1014Moleküle/cm2]
Abbildung 3.16.: Korrelation der Auswertungen mit trop osphärischer Reststruktur und stratosphäri-
scher Reststruktur mit der Auswertung ohne zusätzliche Reststruktur
in den Fit aufgenommenen Reststrukturen zeigen nur einen geringen Einuÿ auf die
b estimmte BrO Säulendichte, die Korrelationsko ezienten weichen um etwa 2% von 1
ab.
Die deutliche Verringerung der Reststrukturen durch die für den Flug von León
testweise durchgeführte Aufnahme einer Reststruktur in den Fit läÿt eine weitergehende
Interpretation der Reststrukturen vielversprechend erscheinen.
3.3.2. Interpretation der Reststrukturen
Abbildung 3.17 verdeutlicht die zur Interpretation der Reststruktur vorgenommenen
Schritte. Zunächst werden mit a) die gemessenen optische Dichten durch den Fit mit
den in Kapitel 3.1 b eschrieb enen Referenzsp ektren mo delliert. Üb er die in Kapitel 3.2
dargestellten Fitko ezienten erhalten die Beobachtungen dab ei Ko ordinaten a
mi
auf
der Basis der Referenzsp ektren. Diese Ko ordinaten sind gleichzeitig die b estimmten
Säulendichten (SCD) für die jeweiligen Spurengase.
In einem zweiten Schritt b) werden die Reststrukturen, d. h. die durch den Fit nicht
erklärten optischen Dichten, dargestellt (Abbildungen 3.12-3.14). Idealerweise sollten
die optischen Dichten bis auf ein der Photonenstatistik und dem Ausleserauschen ent-
sprechenden Rauschen vollständig erklärt werden. Die Reststrukturen würden dann
statistisch um Null schwanken. Besonders oensichtlich ist dies während der Okkulta-
tionen nicht der Fall.
Wünschenswert ist es, in einem weiteren Schritt c) aus dem gesamten Satz von
Reststrukturen eine o der mehrere typische Signaturen zu gewinnen. Gesucht wer-
den Kombinationen von Kanälen, die sich während der Beobachtungen gemeinsam
52
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
346 350 354 358 362
7.0 km
10.0 km
12.8 km
15.8 km
20.0 km
25.0 km
86.4°
89.0°
90.0°
91.0°
92.0°
92.5°
93.0°
1
0
-1
SZW
Gleichgewichtshöhe, 30.7 km
Aufstieg
Sonnenuntergang, 30.7 km
Differentielle optische Dichte [10-3]
Wellenlänge [nm]
346 350 354 358 362
4.5km
7 km
10 km
13 km
16 km
20 km
25 km
28.7 km
90°
91.0°
92.0°
92.5°
93.0°
93.5°
1
0
-1
SZW
Gleichgewichtshöhe, 30.2 km
Aufstieg
Sonnenuntergang, 29.8 km
Differentielle optische Dichte [10-3]
Wellenlänge [nm]
346 350 354 358 362
94.5°
94°
93°
92°
91°
90°
88°
85°
80°
75°
70°
65°
60°
1
-1
0
SZW
Abstieg bis 31.1 km Flughöhe
Sonnenaufgang in 39 km Flughöhe
Differentielle optische Dichte [10-3]
Wellenlänge [nm]
Abbildung 3.17.: Schematische Vorgehensweise b ei der Analyse der Reststruktur
53
3. Auswertung der Meÿsp ektren
verändern. Eine numerische Metho de hierzu bietet die in Kapitel 3.3.3 angewendete
Hauptkomp onentenanalyse.
Für die Interpretation der Ergebnisse der Hauptkomp onentenanalyse ergeb en sich
zwei Möglichkeiten. Zunächst kann mit d) in Kapitel 3.3.4 versucht werden, die durch
die Hauptkomp onentenanalyse b estimmten Faktoren anhand ihrer Form zu deuten.
Hierdurch könnte sich b eispielsweise direkt ein Hinweis auf eine fehlerhafte Wellenlän-
genkalibrierung eines Referenzsp ektrums o der eine abweichende Photo dio de ergeb en.
Unter glücklichen Umständen kann ein so b estimmter Faktor auch direkt einem Absor-
b er entsprechen, der nicht in den Fitprozeÿ aufgenommen wurde
4
.
Eine weitere Möglichkeit b esteht mit e) darin, zu untersuchen, ob der Ko ezient
(b
mj
) mit der ein Faktor innerhalb der Reststruktur b estimmt wird sich stets zusam-
men mit einem der Fitko ezienten (a
mi
) ändert. Dies wäre dann ein Hinweis darauf,
daÿ das entsprechende Referenzsp ektrum nicht mit der atmosphärischen Absorption
üb ereinstimmt
5
. Eb enso wäre eine Korrelation mit einem der Beobachtungsparameter,
wie etwa der Flughöhe, möglich. In Kapitel 3.3.5 werden mit einer schrittweisen Regres-
sion alle sich aus der Kombination der Ko ezienten b
mj
mit den Fitko ezienten a
mi
und einigen Flugparametern ergeb enden linearen Zusammenhänge untersucht.
3.3.3. Hauptkomp onentenanalyse der Reststrukturen
Unter der Bezeichnung Hauptkomp onentenanalyse [
Hotel ling
1933 und z. B.
Schuemer
1990] existiert ein Verfahren um aus einem Satz von
m
Beobachtungen von
n
Variablen
(Beobachtungsmatrix
R
mn
, Abbildungen 3.12 bis 3.14 zeigen ausgewählte Zeilen die-
ser Matrix) gemeinsame Strukturen, Faktoren , zu extrahieren. Die Beobachtungen
lassen sich dann auf der Basis dieser Faktoren darstellen. Bei der hier verwendeten
Hauptkomp onentenanalyse sind die Faktoren die Eigenfaktoren der Kovarianz (bzw.
Korrelations)matrix. Die Faktoren sind orthogonal und nach der jeweils erklärten
Varianz sortiert.
e
R
mn
=
B
mj
C
j n
+
E
mn
(3.3)
Mit:
e
R
mn
- Reststruktur (Beobachtungsmatrix
R
mn
mit jeweils spaltenweise subtra-
hierten Mittelwert)
m - Anzahl der Beobachtungen (Sp ektren)
n - Anzahl der Variablen (hier Kanalindex 251..391)
j - Zahl der in die Hauptkomp onentenanalyse aufgenommenen Eigenfaktoren
B - Matrix der Faktorwerte auf den Eigenfaktoren
C - Matrix der Eigenfaktoren (Faktormuster)
E - Matrix der Residuen der Hauptkomp onentenanalyse
Für eine gegeb ene Zahl j von Eigenfaktoren (
1
j
n
) liefert die Hauptkomp o-
4
Dies ist insb esondere b ei trop osphärischen Messungen von Bedeutung, da wegen der numerischen
Stabilität des Fitprozesses nicht immer alle p otentiellen Absorb er in den Fit aufgenommen werden
können
5
Oder es tritt eine andere, nicht in den Referenzsp ektren enthaltene Absorption kovariant zu diesem
Referenzsp ektrum auf
54
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
nentenanalyse eine Basis, aufgrund der die Matrix
e
R
mn
optimal, d. h. mit minimaler
Summe der quadrierten Elemente der Residuumsmatrix
E
mn
, mo delliert wird. Auf-
einanderfolgende Eigenfaktoren klären dab ei sukzessiv maximale Varianz der Matrix
e
R
mn
auf. Bei einer Beobachtungsmatrix mit systematischen Strukturen läÿt sich ein
hoher Anteil der Gesamtvarianz b ereits durch die Ko ordinaten auf wenigen Faktoren
erklären.
346 350 354 358 362
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
(+0.8)
1081 Beobachtungen
Mittel
Standard-
abweichung
Optische Dichte (10-3)
Wellenlänge [nm]
251 261 271 281 291 301 311 321 331 341 351 361 371 381 391
Kanal
Abbildung 3.18.: Mittelwert und Standardabweichung üb er die Reststrukturen der Flüge León
96/11/23, Kiruna 97/02/14 und Gap 97/06/20
Die Abbildung 3.18 zeigt den Mittelwert und Standardabweichung der optische
Dichte der Reststrukturen für die drei Flüge. Die durchschnittliche Standardabwei-
chung der Reststrukturen hat eine optische Dichte von
0
:
17
10
3
üb er die gesamten
Flugdaten (Anzahl der Reststrukturen m=1081). Für die Hauptkomp onentenanalyse
wird zunächst der kanalweise Mittelwert von der Beobachtungsmatrix
R
mn
subtrahiert,
es ergibt sich so die Matrix
e
R
mn
. Oft werden die Spalten der Matrix
e
R
mn
darüb er hinaus
no ch durch Division mit ihrer Standardabweichung normiert, die Hauptkomp onenten-
analyse wird dann aufgrund der Korrelations- statt der Kovarianzmatrix vorgenommen.
Hier wird diese Normierung nicht angewandt, damit die Faktoren nicht einen kanal-
weise verschiedenen Wichtungsfaktor aufweisen und die Signatur eines nicht in den Fit
aufgenommenen atmosphärischen Absorb ers erhalten bleib en würde.
55
3. Auswertung der Meÿsp ektren
346 350 354 358 362
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0.7%
1.1%
2.1%
4.2%
31%
57%
erklärter
Varianzanteil
Faktor 6
Faktor 5
Faktor 4
Faktor 3
Faktor 2
Faktor 1
Faktormuster (willk. Einh.)
Wellenlänge [nm]
251 261 271 281 291 301 311 321 331 341 351 361 371 381 391
Kanal
Abbildung 3.19.: Faktormuster der Reststrukturen der Flüge León 96/11/23, Kiruna 97/02/14 und
Gap 97/06/20
56
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
Die Abbildung 3.19 zeigt die üb er die Hauptkomp onentenanalyse
6
von 1081 Rest-
strukturen b estimmten ersten 6 Faktoren für die Flüge in León, Kiruna und Gap.
Bereits der erste Faktor erklärt einen Anteil von 57% der Varianz der Reststruktu-
ren. Er ist dominiert durch sich schnell mit der Wellenlänge ändernde Strukturen mit
einer typischen Halbwertsbreite in der Gröÿenordnung der optischen Auösung des
Sp ektrographen. Durch den Vergleich des ersten Faktors mit den Reststrukturen von
Abbildung 3.12-3.14 läÿt sich eine hohe Korrelation o der Antikorrelation dieses Faktors
mit den meisten Reststrukturen p er Augenschein üb erprüfen.
Der mit 31% erklärtem Varianzanteil nächstwichtigere Faktor ähnelt den Reststruk-
turen b ei hohen Sonnenzenitwinkeln und den Mittelwerten aus Abbildung 3.18. Er
enthält vorwiegend sich langsamer mit der Wellenlänge ändernde Strukturen.
Der dritte Faktor ist mit lediglich 4.2% erklärtem Varianzanteil b ereits wesentlich
unb edeutender, die markanten Merkmale von Faktor 3 um die Kanäle 267, 295 und
365 liegen in der Nähe ähnlicher Strukturen der Faktoren 1 und 2. Daher läÿt sich
dieser Faktor eb enso wie die weiteren Faktoren nicht mehr in einzelnen Reststrukturen
identizieren.
0 5 10 15 20 40 60 80 100120140
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.6%
erklärte Varianz (einzeln)
erklärte Varianz (kumuliert)
Erklärter Varianzanteil (%)
Faktornummer
Abbildung 3.20.: Erklärter Varianzanteil der Faktoren
Die Abbildung 3.20 zeigt den jeweils durch einen einzelnen Faktor erklärten Varian-
zanteil und den insgesamt erklärten Varianzanteil. Bemerkenswert ist, daÿ b ereits etwa
88% der Gesamtvarianz durch die ersten b eiden Faktoren erklärt werden können, unter
Hinzunahme der nächsten vier Faktoren erhöht sich der insgesamt erklärte Varianzan-
teil dann auf etwa 96%. Die Hinzunahme eines weiteren Faktors 7 erhöht den erklärten
Varianzanteil nur no ch um 0.6% (
<
1
141
), dies entspricht weniger als der durchschnittli-
chen Varianz eines Kanals, so daÿ weitere Faktoren im folgenden vernachlässigt werden.
6
Prozedur FACTOR mit den Optionen METHOD=PRINCIPAL ROTATE=NONE COVARIANCE
SCREE des SAS-Statistikpaketes [
SAS Institute Inc.
1988b]
57
3. Auswertung der Meÿsp ektren
3.3.4. Interpretation der Faktormuster
Im vorigen Abschnitt wurden mit den Faktoren typische Strukturen in den nicht
vom nichtlinearen Fit mo delierten optischen Dichten gefunden. Hierfür bieten sich zwei
Ansätze an. Zunächst kann eine kanalweise Interpretation der Faktoren versucht wer-
den, d. h. eine Interpretation üb er die Form der Faktoren. Idealerweise sollte dieser
Ansatz nicht erfolgversprechend sein, da jede interpretierbare Änderung der Optischen
Dichte in den Referenzsp ektren enthalten sein sollte. Sie wäre dann b ereits durch den
nichtlinearen Fit aus den Reststrukturen entfernt worden.
Ein Fehler in der Wellenlängeneichung o der der Auösung eines in den Fit aufge-
nommenen Referenzsp ektrums kann sich jedo ch in einer charakteristischen Struktur
eines Faktors zeigen. Die Abbildung 3.21 zeigt den anhand einer gauÿförmigen Absorp-
tion simulierten Eekt einer um 10% unterschiedlichen Auösung zwischen einem Refe-
renzsp ektrum und einem b eobachteten Sp ektrum. Symmetrisch um das Absorptions-
maximum bildet sich hier ein Maximum und zwei Minima. Bis auf das BrO Sp ektrum
sind alle Referenzsp ektren mit dem Ballonsp ektrographen selbst aufgenommen wor-
den und hab en dadurch die korrekte Auösung. Bei der hier vorgestellten Auswertung
könnte daher eine Abweichung lediglich b eim BrO Sp ektrum erwartet werden. In der
Nähe der b eiden Absorptionsmaxima des BrO Sp ektrums (Abb.3.2 b ei
=348.8 nm
und 354.7 nm bzw. Kanal 280 und 340) treten allerdings keine symmetrischen Struk-
turen b ei den Faktoren auf (Abb. 3.19), die Faktormuster geb en daher keinen Hinweis
auf eine Fehlanpassung der Auösung des BrO Referenzsp ektrums.
-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
b) Residuum bei unterschiedlicher
Auflösung von Referenzspektrum
und atmosphärischem Spektrum
Kanal (in Einheiten von σ)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
σ=1.1
σ=1
a)
Abbildung 3.21.:
Typische Form von Rest-
strukturen b ei Unterschieden
in der Auösung zwischen
den Referenzsp ektren und der
Auösung des Sp ektrogra-
phen
-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06 b) Residuum bei Verschiebung
des Referenzspektrum
gegenüber
atmosphärischem Spektrum
Kanal (in Einheiten von σ)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
a)
Verschiebung
um 0.1σ
Abbildung 3.22.:
Typische Form von Rest-
strukturen b ei gegenüb er den
atmosphärischen Sp ektren
verschob enen Referenzsp ek-
tren
Die Abbildung 3.22 zeigt den Eekt der Verschiebung einer gauÿförmigen Absorp-
tion um
0
:
1
. Die Dierenz der verschob enen Absorptionen führt zu einer näherungs-
weise sinusförmigen Reststruktur mit einem Nulldurchgang im Maximum der Absorp-
tion. Faktor 2 weist in der Nähe der Kanäle 263 und 305 einen Nulldurchgang mit
jeweils gleichem Vorzeichen auf, dies liegt in der Nähe der Absorptionsmaxima von
O
3
b ei Kanal 264 und 306 (Abbildung 3.2). Um Kanal 263 tritt eine näherungsweise
58
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
sinusförmige Struktur mit passender Breite auf, dies könnte ein Hinweis für geringfügig
zu kürzeren Wellenlängen verschob ene O
3
Referenzsp ektren sein. Eine entsprechende
Struktur um Kanal 305 hat nicht die erwartete Breite und insgesamt ist der Anteil
der für eine Verschiebung typischen Struktur an der Varianz von Faktor 2 gering, so
daÿ dies nicht als Beleg für eine falsche Wellenlängeneichung der O
3
Referenzsp ektren
gewertet wird.
Darüb er hinaus wurde üb erprüft, ob bis zu Faktor 16, der nur no ch 0.09% der Gesamt-
varianz b estimmt, ein Faktor auftritt, der nur auf einem Kanal o der wenigen b enach-
barten Kanälen einen hohen Wert aufweist und somit direkt einem einzelnen Wellen-
längenintervall o der einer einzelnen Photo dio de zuzuordnen wäre. Ein solcher Faktor
könnte nur einen geringen Anteil der Gesamtvarianz verursachen, lieÿe sich ab er den-
no ch auf eine Ursache zurückführen.
Die b ei der Hauptkomp onentenanalyse vorgenommene Darstellung der b eobachte-
ten Reststrukturen aufgrund von orthogonalen Faktormustern mit sukzessiv maximaler
Varianzaufklärung zwar naheliegend, jedo ch keineswegs zwingend. Wird die Forderung
nach der sukzessiv maximalen Varianzaufklärung aufgegeb en, dann sind Rotations-
transformationen innerhalb der Faktoren möglich. Die Darstellung der Reststrukturen
aufgrund der Ko ordinaten auf einer Rotationstransformation
7
der ersten 6 Faktormu-
ster würde insgesamt zur gleichen Varianzaufklärung von 96% führen und ist unter
diesem Gesichtspunkt äquivalent.
Eine zur leichteren Interpretierbarkeit der Faktormuster angewandte Rotations-
transformation ist die sogenannte Varimax-Rotation, hierb ei wird die Varianz der qua-
drierten Faktormuster maximiert. Dies führt dazu, daÿ die Faktormuster eher Werte um
Null o der Werte nahe
1
annehmen und dadurch eventuell leichter einzelnen Kanälen
zuzuordnen sind. Eine Varimax-Rotation der Faktoren wurde testweise durchgeführt,
führte jedo ch zu ähnlichen Faktormustern für die ersten b eiden Faktoren und konnte
eb ensowenig interpretiert werden.
Es werden keine Faktormuster mit einer geringeren als der optischen Auösung
des Sp ektrographen b eobachtet. Die zum sicheren Aunden der optimalen Fitko e-
zienten durch den nichtlinearen Fit notwendige Dreiecksglättung (Kapitel 3.1.7) hätte
allerdings eine systematische Dierenz zwischen geraden und ungeraden Kanälen der
Photo dio denzeile b ereits entfernt. Da für die Auswertung der León-, Kiruna- und Gap-
sp ektren jeweils eigene Fraunhoferreferenzsp ektren verwendet wurden sollte keiner der
Faktoren direkt auf einen Unterschied zwischen den Flügen weisen.
Bis hierher ist festzuhalten, daÿ durch die Hauptkomp onentenanalyse zwar zwei
Faktoren gefunden wurden, die einen groÿen Teil der Varianz der Reststruktur b estim-
men, diese jedo ch no ch nicht interpretiert werden konnten.
7
unter Aufgab e der Orthogonalität der Faktormuster sind auch bijektive Lineartransformationen
möglich
59
3. Auswertung der Meÿsp ektren
3.3.5. Lineare Regression der Faktorwerte
Neb en der kanalweisen Interpretation der Faktoren (Interpretation aufgrund der Form
der Faktoren wie im vorigen Abschnitt) kann versucht werden, die Bedeutung der Fak-
toren üb er die Ko ordinaten
b
mi
(Abbildung 3.17) der Beobachtungen auf den Eigen-
faktoren, den Faktorwerten , zu erklären. Bei der DOAS entsprechen die Faktorwerte
den Fitko ezienten, mit denen in den Fit aufgenommene Faktoren gefunden würden,
nachdem von den gemessenen optischen Dichten zuvor kanalweise der Mittelwert des
Residuums (Abb. 3.18) subtrahiert wurde.
Ändert sich ein Faktorwert stets prop ortional zu dem Fitko ezienten eines Refe-
renzsp ektrums, o der einem anderen sich während der Beobachtung ändernden Para-
meters, ist dies ein Hinweis auf einen kausalen Zusammenhang.
Um die möglichen Zusammenhänge systematisch untersuchen, wird ein lineares
Mo dell für die Faktorwerten verwendet, als Prädiktoren für die Faktorwerte stehen die
Fitko ezienten der Referenzsp ektren sowie die Flugparameter zur Verfügung. Da im
voraus nicht b ekannt ist, welche der Prädiktoren hierb ei wichtig sind, werden zunächst
alle Prädiktoren in die Regression aufgenommen und danach schrittweise die Prädik-
toren, die zu der jeweils geringsten Erhöhung von
R
2
b eigetragen hab en
8
, aus der
Regression entfernt. Ziel ist ein Mo dell mit möglichst wenigen Prädiktoren und den-
no ch hohem
R
2
. Diese Metho de wird als schrittweise lineare Regression b ezeichnet.
Beschreibung der Prädiktoren
In die Regressionsanalyse sind die Fitko ezienten des Fraunhofersp ektrums, des NO
2
,
des BrO und des O
4
aufgenommen. Für O
3
werden die b eiden Fitko ezienten für
O
3
(-80
C) und O
3
(-20
C) und die Summe der optischen Dichte b eider Sp ektren,
b ezeichnet als O
3
, verwendet. Um einen möglichen Einuÿ der Verschiebung des Sp ek-
trographen auf die Reststruktur zu untersuchen, werden die Verschiebungs- und Deh-
nungsko ezienten für den angetteten Satz von Sp ektren als Prädiktoren aufgenom-
men. Für den Fall, daÿ die Wellenlängenverschiebung der optische Abbildung b ei einem
einzelnen Spurensto zu einer sp ezischen Reststruktur geführt hat, werden die mit
der Verschiebung multiplizierten Spurenstotko ezienten eb enfalls als Prädiktoren
verwendet.
8
R
2
quadrierter Korrelationsko ezent zwischen Mo dell und mo dellierten Daten
R
2
=
[
P
n
i
=1
(
x
i
x
)(
m
i
m
)
]
2
P
(
x
i
x
)
2
P
(
m
i
m
)
2
60
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
Weitere Prädiktoren sind die Beobachtungsparameter
Luftmoleküle
Volumen
Lichtweg,
Luftmoleküle
Volumen
2
Lichtweg, Flughöhe, trop osphärische Lichtweglänge und Sonnenzenit-
winkel. Zur Unterscheidung der Flüge werden zusätzlich binäre Parameter für León,
Kiruna und Gap eingeführt (León = 1 während des Fluges in León, 0 sonst, usw.),
zur Unterscheidung von Aufstiegs- und Okkultationsmessungen wird der Prädiktor
S Z W >
90
eingeführt. Die Tab elle 3.1 gibt einen Üb erblick üb er die Prädiktoren.
Prädiktoren, zwischen denen ein kausaler Zusammenhang b esteht o der vermutet
werden kann, sind hier zeilenweise angeordnet.
Fitko ezient Verschiebung
Fitko ezient Beobachtungsparameter Binäre Parameter
F r aunhof er V er schiebung
F r aunhof er
Luf tmolek
u le
V olumen
Lichtw eg
O
3
(
80
C
)
V er schiebung
O
3
(
80
C
)
O
3
(
20
C
)
V er schiebung
O
3
(
20
C
)
O
3
V er schiebung
O
3
O
4
Luf tmolek
ule
V olumen
2
Lichtw eg
N O
2
V er schiebung
N O
2
B r O V er schiebung
B r O
V erschiebung F l ug h
ohe
D ehnung
tr oposph
ar ische Lichtw eg l
ang e
S onnenz enitw ink el
(
S Z W >
90
)
Le
on; K ir una; Gap
Tab elle 3.1.: Prädiktoren für die Regression
Da sich für einige Kombinationen von Prädiktoren eine physikalische Begründung
nden lassen, werden Regressionen mit bis zu drei Prädiktoren untersucht. Die schritt-
weise Regression
9
ndet für eine gegeb ene Zahl von Prädiktoren das im
R
2
Sinne b este
lineare Mo dell aus den 89400 möglichen Kombinationen.
9
Prozedur REG mit den Optionen RSQUARE SELECTION=RSQUARE COLLIN des SAS-
Statistikpaketes [
SAS Institute Inc.
1988b]
61
3. Auswertung der Meÿsp ektren
Ergebnisse der schrittweisen linearen Regression
Tab elle 3.2 zeigt eine Zusammenfassung der schrittweisen Regression. Angeführt ist
jeweils das Mo dell mit hö chstem
R
2
für eine gegeb ene Zahl an Prädiktoren. Mo delle
mit den nächstb esten Prädiktoren sind der Vollständigkeit halb er eb enfalls mit in die
Tab elle aufgenommen.
Für die ersten b eiden Faktoren sind die Regressionsko ezienten angegeb en, für
die weiteren Faktoren symb olisiert
f
(
A; B ; C
)
, daÿ der Faktor als lineare Funktion
der Prädiktoren A, B und C mit einem zusätzlichen Oset approximiert wird. Üb er die
Regression können sowohl Faktor 1 als auch Faktor 2 einzelnen Prädiktoren zugeordnet
werden.
Der einen Varianzanteil von 57% der Reststrukturen aufklärende Faktor 1 kann
mit
R
2
=0.95 durch eine lineare Funktion eines einzigen Prädiktors, des Fraunho-
fertko ezienten, b estimmt werden. Der nächstb este Prädiktor Flughöhe kann nur
R
2
=0.74 b estimmen, so daÿ der Fraunhofertko ezent mit deutlichem Abstand das
b este Mo dell mit einem Prädiktor ist. Durch das erreichte hohe
R
2
erübrigt sich die
Untersuchung von Mo dellen mit mehreren Prädiktoren: die Hinzunahme eines weite-
ren Prädiktors O
4
führt zwar zu einer Erhöhung auf
R
2
=0.985; die Auswahl von O
4
als zweiten Prädiktor scheint jedo ch willkürlich, da auch mit mehreren anderen Prä-
diktoren R
2
>
0.97 erreicht werden kann und die maximale Erhöhung für
R
2
nur 0.03
b eträgt.
Faktor 2 läÿt sich mit R
2
>
0.95 durch Ozonprädiktoren erklären, die in die Regres-
sion aufgenommene optische Dichte des -80
C Ozons o der der gesamten optischen
Dichte des Ozons führen hier zu fast identischem
R
2
. Das b este Mo dell mit zwei Prä-
diktoren ist eine Linearkombination des -80
C und des -20
C Ozons. Faktor 2 kann so
wahrscheinlich den Ozonreferenzen zugeschrieb en werden.
Die Zuordnung des Faktors 3 scheint dagegen kaum möglich, der b este einzelne Prä-
diktor, die Verschiebung des Sp ektrographen multipliziert mit dem BrO Fitko ezient,
erreicht hier lediglich
R
2
= 0
:
42
. Unter Hinzunahme eines weiteren Prädiktors für den
Flug in León steigt
R
2
zwar auf 0.64, allerdings werden auch mit anderen Prädikto-
renkombinationen ähnliche Werte erreicht. Auällig hierb ei ist, daÿ in das Mo dell mit
zwei Prädiktoren nur sich in der Trop osphäre stark ändernde Prädiktoren aufgenom-
men werden und die b esten Mo delle mit zwei Prädiktoren stets den Parameter für den
Flug von León enthalten.
Faktor 4 zeigt ein etwas gröÿeres
R
2
von jeweils
>
0
:
5
mit drei sich in der Tro-
p osphäre stark ändernden Prädiktoren, der Lichtweglänge durch die Trop osphäre, der
druckb edingten Verschiebung des Sp ektrums und der Verschiebung des Sp ektrums mul-
tipliziert mit dem Fraunhofertko ezenten. Die Hinzunahme des binären Prädiktors
Kiruna für den Flug von Kiruna erhöht
R
2
auf
>
0
:
7
und könnte auf eine in Kiruna
auftretende trop osphärische Ursache hindeuten. In Anb etracht des geringen durch Fak-
tor 4 aufgeklärten Varianzanteiles der Reststruktur sollte diese Korrelation allerdings
nicht üb erb ewertet werden.
Faktor 5 und Faktor 6 können durch einen einzelnen Prädiktor nur mit einem sehr
geringen
R
2
0
:
132
erklärt werden. Insb esondere b ei Faktor 6 (und 7) führt auch die
Hinzunahme eines zweiten und dritten Prädiktors lediglich auf ein
R
2
= 0
:
43
(bzw.
0.34). Dies deutet darauf hin, daÿ diese und die folgenden Faktoren dem Rauschen der
Reststruktur zugeordnet werden können.
62
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
Faktor- erklärter Prädik-
R
2
Regression
nummer Varianzanteil toren
1 57% 1
0.951
Faktor 1
'
(155
:
3
1
:
1)
F r aunhof er
(155
:
1
1
:
1)
1 57% 1 0.744 Faktor 1
'
f
(
F l ug h
ohe
)
1 57% 2 0.985 Faktor 1
'
f
(
F r aunhof er; O
4
)
1 57% 2
>
0.973 für Faktor 1
'
f
(
F r aunhof er;
Luf tmolek
ule
V olumen
Lichtw eg
)
;
f
(
F r aunhof er; O
3
(
80
C
)
; f
(
F r aunhof er; O
3
)
f
(
F r aunhof er; B r O
)
2 31% 1
0.9545
Faktor 2
'
(76
:
2
0
:
5)
O
3
(0
:
681
0
:
008)
2 31% 1
0.9543
Faktor 2
'
(109
:
8
0
:
7)
O
3
(
80
C
)
(0
:
697
0
:
008)
2 31% 1 0.857 Faktor 2
'
f
(
O
4
)
2 31% 1 0.79 Faktor 2
'
f
(
B r O
)
2 31% 1 0.62 Faktor 2
'
f
(
N O
2
)
2 31% 1 0.62 Faktor 2
'
f
(
D ehnung
)
2 31% 1 0.50 Faktor 2
'
f
(
O
3
(
20
C
))
2 31% 2 0.9844 Faktor 2
'
f
(
O
3
(
80
C
)
; O
3
(
20
C
))
3 4.2% 1 0.42 Faktor 3
'
f
(
V er schiebung
B r O
)
3 4.2% 1 0.33 Faktor 3
'
f
(
V er schiebung
O
3
(
80
C
))
3 4.2% 1 0.32 Faktor 3
'
f
(
Le
on
)
3 4.2% 1 0.31 Faktor 3
'
f
((
Luf tmolek
ule
V olumen
)
2
Lichtw eg
)
3 4.2% 2 0.637 Faktor 3
'
f
(
V er schiebung
B r O
)
; Le
on
)
3 4.2% 2 0.629 Faktor 3
'
f
((
Luf tmolek
ule
V olumen
)
2
Lichtw eg ; Le
on
)
3 4.2% 2 0.595 Faktor 3
'
f
(
V er schiebung
O
3
(
80
C
)
; Le
on
)
3 4.2% 2
>
0.53 für Faktor 3
'
f
(
V erschiebung
F r aunhof er; Le
on
)
;
f
(
V erschiebung ; Le
on
)
;
f
(
V erschiebung
N O
2
; Le
on
)
;
f
(
V erschiebung
O
3
; Le
on
)
3 4.2% 3 0.81 Faktor 3
'
f
(
F r aunhof er; N O
2
; B r O
)
4 2.1% 1 0.54 Faktor 4
'
f
(
T r oposph
arenl ichtw eg
)
4 2.1% 1 0.502 Faktor 4
'
f
(
V er schiebung
)
4 2.1% 1 0.501 Faktor 4
'
f
(
V er schiebung
F r aunhof er
)
4 2.1% 2 0.737 Faktor 4
'
f
(
V er schiebung ; K ir una
)
4 2.1% 2 0.736 Faktor 4
'
f
(
V er schiebung
F r aunhof er; K ir una
)
4 2.1% 3 0.76 Faktor 4
'
f
(
V er schiebung
F r aunhof er; K ir una; O
3
;
20
C
)
5 1.1% 1 0.132 Faktor 5
'
f
(
O
3
(
20
C
))
5 1.1% 1 0.126 Faktor 5
'
f
(
T r oposph
arenl ichtw eg
)
5 1.1% 2 0.62 Faktor 5
'
f
(
O
3
(
20
C
)
; N O
2
)
5 1.1% 2 0.42 Faktor 5
'
f
(
F r aunhof er; Gap
)
5 1.1% 3
0.76 für Faktor 5
'
f
(
O
3
(
20
C
)
; N O
2
; T r oposph
arenl ichtw eg
)
;
f
(
O
3
(
20
C
)
; N O
2
; V er schiebung
)
;
f
(
O
3
(
20
C
)
; N O
2
; V er schiebung
F r aunhof er
)
6 0.7% 1 0.070 Faktor 6
'
f
(
B r O
)
6 0.7% 2 0.34 Faktor 6
'
f
(
B r O ; O
4
)
6 0.7% 3 0.43 Faktor 6
'
f
(
B r O ; O
4
; T r oposph
arenl ichtw eg
)
7 0.6% 1 0.15 Faktor 7
'
f
(
V er schiebung
)
7 0.6% 2 0.25 Faktor 7
'
f
(
V er schiebung ; V er schiebung
N O
2
)
7 0.6% 3 0.34 Faktor 7
'
f
(
V er schiebung ; V er schiebung
N O
2
)
; N O
2
Tab elle 3.2.: Regression der Flugparameter und Fitko ezienten auf die Faktorwerte. Die Regressio-
nen mit jeweils dem jeweils hö chstem
R
2
und die mit nächstbesten
R
2
o der höherer
Prädiktorenzahl sind angeführt
63
3. Auswertung der Meÿsp ektren
Mögliche numerische Probleme
Während der Ballonüge zeigen einige der Prädiktoren einen ähnlichen Verlauf Koli-
nearität, so b eginnen einige Fitko ezienten aus den Abbildungen 3.4 - 3.6 mit einem
anfänglich hohem Wert jeweils zu Beginn des Fluges, weisen dann ein Minimum auf und
steigen gegen Ende des Fluges erneut an. Bei Regressionen mit mehreren Prädiktoren
kann eine hohe Kolinearität der Prädiktoren untereinander zu numerischer Instabilität
der Regression und zu Suppressionseekten führen, das heiÿt, ein eigentlich wichtiger
Prädiktor wird zugunsten eines weiteren unterdrückt. Für die verwendeten Prädikto-
ren wird erst ab einer Anzahl von mehr als drei Prädiktoren ein deutlicher Anstieg der
Kollinearität der Prädiktoren b eobachtet (Option COLLIN der Prozedur REG). Die
Aussagen dieses Kapitels sind hiervon nicht b etroen, da die Faktoren 1 und 2 b ereits
mit einzelnen Prädiktoren ein hohes R
2
erreichen und für die weiteren Faktoren keine
plausiblen Mo delle mit mehreren Prädiktoren gefunden wurden. Mit den Ko ezien-
ten O
3
und mit dem binären Parameter für Gap sind Prädiktoren in die Regression
aufgenommen, die sich als Linearkombinationen anderer Prädiktoren (O
3
(-80
C) und
O
3
(-20
C) bzw. León und Kiruna) darstellen lassen. Diese p erfekte Kolinearität von
Prädiktoren mit einer Linearkombination anderer wird innerhalb des Regressionsalgo-
rithmus erkannt und durch wechselseitigen Ausschluÿ umgangen.
Durch die Kolinearität der Prädiktoren untereinander und dadurch, daÿ die Prä-
diktoren oft keine Normalverteilung zeigen, läÿt sich, insb esondere b ei Ballonügen,
aus der Regression keine Aussage darüb er ableiten, wie wahrscheinlich eine tatsäch-
liche Korrelation gefunden wurde. Der durch das Statistikpaket SAS ausgegeb enen
Wahrscheinlichkeit von
<
10
300
, daÿ die hohen Werte für
R
2
b ei Faktor 1 und 2
durch unkorrelierte normalverteilte Prädiktoren zufällig erreicht worden sein könnten,
ist somit keine Bedeutung b eizumessen.
Interpretation
Die schrittweise Regression liefert einen deutlichen Hinweis auf die Zuordnung von Fak-
tor 1 zum Fraunhofertko ezienten. Mit einer vom Instrument aufgelösten optischen
Dichte des Fraunhofersp ektrums von etwa 1 sind die durch atmosphärische Absorptio-
nen b edingten optischen Dichten typisch um einen Faktor 100 kleiner (Abb. 3.2). Dies
macht plausib el, daÿ Faktor 1 gerade durch den Fraunhofertko ezienten b estimmt
werden kann. Um eine genauere Untersuchung der mit dem Fraunhoferstrukturen ver-
bundenen Reststrukturen zu ermöglichen, sollte im nichtlinearen Fit des Programm-
paketes MFC der Fraunhofertko ezient auf einen konstanten Wert gesetzt werden
können. Erst die Metho de der Faktorenanalyse erlaubt, den durch Faktor 1 üb erdeck-
ten etwa halb so groÿen Beitrag des zweiten Faktors zu interpretieren.
Der hohe Korrelationsko ezient für den Faktor 2 mit den Ozontko ezienten kann
zwar keinen kausalen Zusammenhang b eweisen, die Zuordnung ist denno ch plausib el.
Für den Faktor 2 ergibt sich folgende Begründung: In dem durch die BrO Absorptions-
strukturen vorgegeb enen Fitb ereich sind die Absorptionstrukturen des Ozons temp e-
raturabhängig. Um diese Temp eraturabhängigkeit in erster Näherung zu b erücksichti-
gen werden zwei Ozon Referenzsp ektren, die b ei jeweils
80
C und
20
C gemessen
wurden, in den nichtlinearen Fit aufgenommen. Die tatsächliche atmosphärische O
3
-
Absorption läÿt sich durch diese Sp ektren nur unzureichend mo dellieren. Wie Messun-
gen durch Ozonsonden zeigen, (Anhang A.17 bis A.19), b eträgt die stratosphärische
64
3.3. Sp ektrale Reststrukturen
Ozontemp eratur während der Flüge typisch
70
C bis
50
C, so daÿ die verwendeten
Ozonsp ektren nur eine Näherung darstellen. Für die folgenden Flüge wurden für Ozon
erneut Lab orreferenzsp ektren mit geringerer Temp eraturabstufung aufgenommen. Als
weitere Ursache wäre ein zur Ozonkonzentration prop ortionaler Spurensto eb enfalls
möglich, Faktor 2 zeigt allerdings keine b ekannte Absorptionsstruktur. Hier kämen
vorwiegend stratosphärische und damit eher niedermolekulare Absorb er in Betracht,
da der Faktor 2 insgesamt einen hohen Anteil der Varianz der Reststrukturen erklärt
und trop osphärische Lichtwege dafür einen zu geringen Anteil an den Reststrukturen
aufweisen (vgl. Abb. 4.26). Das sich mit der Kanalnummer vergleichsweise langsam
ändernde Faktormuster 2 schlieÿt ein zu geringes Signal zu Rauschverhältnis
10
der
Ozonsp ektren als Ursache aus.
Weitere Ergebnisse der schrittweisen Regression ergeb en sich auch dadurch, daÿ für
die durch Hauptkomp onentenanalyse b estimmten Faktoren
keine
hohen Korrelationen
der Faktorwerte mit folgenden einzelnen Prädiktoren gefunden wird:
a)
Luftmoleküle
Volumen
Lichtweg,
b)
(
Luftmoleküle
Volumen
)
2
Lichtweg,
c) NO
2
Fitko ezient,
d) Trop osphärenlichtweglänge,
e) Verschiebung und Dehnung der optischen Abbildung des Sp ektrographen.
Mit a) wird die Abschätzung, daÿ der Ring-Eekt b ei Direktlicht Ballonsp ektren zu
vernachlässigen ist [
Bauer
1997] und auch [
Pundt et al.
1998] unterstützt.
Der Punkt b) deutet darauf hin, daÿ keine Absorptionen durch Kollisionskom-
plexe, deren Absorptionsquerschnitt eine quadratische Druckabhängigkeit aufweisen
würde, zu den Reststrukturen b eitragen. Hier können allerdings nur solche Absorptio-
nen erkannt werden, die nicht b ereits durch Linearkombinationen der Referenzsp ektren
und des angetteten Polynoms mo delliert werden können. So wurden die breitbandi-
gen Strukturen des O
4
(Abschnitt 3.1.3) durch das in den Fit aufgenommene Polynom
b ereits entfernt.
Das Ergebnis c) ist zunächst üb erraschend, da während der Flüge dierentielle opti-
sche Dichten für das NO
2
Sp ektrum von einigen
10
2
b eobachtet wurden. Durch den
I
;
-Eekt (Abschnitt 3.1.9) wird gerade b eim NO
2
Sp ektrum, das eine hohe Mo du-
lation innerhalb kleiner Wellenlängenintervalle aufweist, eine zum NO
2
Fitko ezient
prop ortionale Struktur erwartet. Die Faktoren 3, 4 und 5, die durch den I
;
-Eekt
verursachte Strukturen enthalten könnten, sind b edingt durch die Hauptkomp onen-
tenanalyse orthogonal zu den Faktoren 1 und 2. Die Orthogonalität ist durch die
Metho de der Hauptkomp onentenanalyse und nicht durch ein physikalisches Mo dell
b edingt, durch die Einschränkung auf jeweils orthogonale Faktoren wird jedo ch ein
möglicherweise vorhandener Zusammenhang mit den Prädiktoren nicht gefunden. Daÿ
keine hohe Korrelation eines Faktors mit dem NO
2
Fitko ezienten gefunden wird,
b edeutet daher nicht, daÿ etwa der durch einen I
;
-Eekt b edingte Varianzanteil klei-
ner als der von Faktor 6 wäre. Vielmehr müÿten alle Linearkombinationen der nicht
10
Ein zu geringes Signal zu Rauschverhältnis eines Referenzspektrums kann sich als ein zum jeweiligen
Fitko ezienten prop ortionalen Faktor auswirken
65
3. Auswertung der Meÿsp ektren
erklärten Faktoren auf eine Korrelation mit dem NO
2
Fitko ezient üb erprüft werden.
Mit der Metho de der kanonischen Korrelation [
Hotel ling
1936] (z. B. in der Prozedur
CANCORR des SAS-Statistikpaketes) existiert hierzu zwar ein Verfahren, durch die
zusätzlichen Freiheitsgrade der Linearkombination steigt jedo ch die Wahrscheinlich-
keit, daÿ sich zufällig eine hohe (o der höhere) Korrelation mit dem NO
2
Fitko ezient
ergibt. Zudem sind sp eziell b ei ballongestützten DOAS Messungen die Variablen nicht
normalverteilt. Eine Abschätzung für die Ob ergrenze des durch den I
;
-Eekt verursach-
ten Varianzanteiles läÿt sich denno ch durch die Summe der Varianzanteile der nicht
erklärten Faktoren 3, 4 und 5 geb en, sie b eträgt 7.3%.
Eine Korrelation mit d) hätte einen Hinweis auf eine nicht in den Referenzsp ek-
tren enthaltene trop osphärische Absorption gegeb en. Während der hier b etrachteten
Ballonüge üb erwiegen stratosphärische Lichtwege, trop osphärische Spurengase tragen
nur b ei einem Teil der Messungen und unter relativ kurzen Lichtwegen zu Absorptionen
b ei, da die Ballongondel jeweils erst in einigen km Flughöhe auf die Sonne ausgerich-
tet wurde (vgl. Abb. 4.5 und 4.8). Trop osphärische Absorptionen verursachen daher
nur eine vergleichsweise geringe Varianz der Reststrukturen während der gesamten
Meÿdauer und würden hier vermutlich nicht gefunden. Für eine gezielte Suche nach
trop osphärischen Absorptionen müÿte aus dem gesamten Satz von Reststrukturen eine
Auswahl getroen werden, b ei der möglichst hohe Unterschiede in der trop osphärischen
Absorption vermutet werden. Eine Hauptkomp onentenanalyse sp eziell üb er diese Aus-
wahl könnte dann Faktoren b estimmen, die durch diese Absorptionen verursacht sind.
Der Befund e) weist nach, daÿ die in den Abschnitten 3.2.3 und 3.2.4 dokumen-
tierten geringen Änderungen der optischen Abbildung des Sp ektrographen nur einen
vernachläÿigbar kleinen Anteil der Reststrukturen verursachen.
66
4. Bestimmung der BrO
Konzentrationsprole
Kapitel 4 b eschäftigt sich mit der Umrechnung der in den Sp ektren b estimmten BrO
Säulendichten in ein vertikales Konzentrationsprol.
Nach einer schematischen Beschreibung der Sichtgeometrie werden die Flugtra jektorien
dreier Flüge in Abschnitt 4.2 vorgestellt. Es folgen die gemessenen BrO Säulendichten in
Abschnitt 4.3. Abschnitt 4.4 gibt einen Üb erblick üb er die Schritte bis zum Konzentra-
tionsprol. In Abschnitt 4.5 wird üb er eine Regression die mittlere BrO Konzentration
ob erhalb der Ballongipfelhöhe b estimmt. Nach Vorstellung der Luftmassenfaktorma-
trizen der Flüge in Abschnitt 4.6 wird in Abschnitt 4.7 die Invertierung der Luftmas-
senfaktormatrix als Metho de zur Bestimmung der Konzentrationsprole b eschrieb en.
Nach einem Blick auf alternative Verfahren in Abschnitt 4.8 zeigt Abschnitt 4.9 die
üb er zwei verschiedene Metho den b estimmten Konzentrationsprole. In Abschnitt 4.10
werden die auf eine vertikale BrO Säule umgerechneten Konzentrationsprole angege-
b en und mit einem Vergleich bisheriger stratosphärischer BrO Messungen in Abschnitt
4.11 endet dieses Kapitel.
4.1. Sichtgeometrie
Abbildung 4.1.:
Sichtgeometrie während des
Ballonaufstieges [
Osterkamp
1997]
Abbildung 4.2.:
Sichtgeometrie während des
Sonnenuntergangs [
Osterkamp
1997]
Die Abbildung 4.1 zeigt die schematisierte Sichtgeometrie während eines Ballonauf-
stieges. Die Sichtlinie zwischen Ballon und der Sonne enthält verschiedene Anteile des
Spurenstoproles.
67
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
Die Abbildung 4.2 zeigt die Sichtgeometrie während des Sonnenuntergangs o der
während des Sonnenaufgangs b ei konstanter Höhe des Balloninstrumentes, auch hier
schneidet die Sichtlinie verschiedene Anteile des Spurenstoproles. Photo chemisch
aktive Spurengase ändern ihre Konzentration während der Okkultation und weisen
so ein vom lokalen Sonnenzenitwinkel abhängiges Konzentrationsprol auf. Ein durch
Photo chemie verändertes Spurenstoprol kann mithilfe eines Chemiemo dels auf ein
Prol b ei 90
Sonnenzenitwinkel umgerechnet werden, indem der Lichtweg dem jewei-
ligen chemical enhancement entsprechend gewichtet wird.
In der Dissertation von
Harder
[1999] wird anhand eines Chemiemo delles und
b erechneter Photolyseraten eine Korrektur des chemical enhancement vorgenommen.
Die dort vorgestellten Ergebnisse weisen nach, daÿ die Änderungen der BrO Konzentra-
tion durch die Photo chemie während der Ballonaufstiegsmessungen zu vernachläÿigen
sind.
4.2. Flugtra jektorien des Balloninstrumentes
Während meiner Dissertation konnten mit dem Balloninstrument fünf Flüge mit jeweils
unterschiedlicher wissenschaftlicher Zielsetzung durchgeführt werden. Die Auswertung
der ersten drei Flüge ist Thema dieser Arb eit. Der erste Flug León 96/11/23 fand im
Spätherbst in mittleren Breiten zur Messung eines typischen Konzentrationsproles
statt. Der zweite Flug Kiruna 97/02/14 wurde im Frühjahr nördlich des Polarkrei-
ses zur Untersuchung der Chemie innerhalb und am Rand des Polarwirb els gestartet.
Zusätzliches Ziel war hier die Validierung von NO
2
Konzentrationsprolen, die mit dem
ILAS Instrument auf dem japanischen Forschungssatelliten ADEOS b estimmt wurden
[
Kanzawa et al.
1995]. Der dritte im Ho chsommer durchgeführte Flug Gap 97/06/20
wurde erneut in mittleren Breiten zur Untersuchung der morgendlichen Chemie vorge-
nommen.
León
Abbildung 4.3 zeigt eine Karte mit der Flugtra jektorie während des Fluges von León.
Für einige der Messungen ist die Sichtlinie zwischen Ballon und Sonne eingezeichnet
soweit sie unterhalb einer Höhe von 40 km liegt. Für die Okkultationsmessungen sind
die Tangentenpunkte des Lichtweges markiert, hier erreicht die Sichtlinie die niedrigste
Höhe und der lokale Sonnenzenitwinkel b eträgt
90
. In den Luftschichten der Tangen-
tenhöhe werden b esonders lange Lichtwege durchlaufen, die Spurenstokonzentrationen
in Tangentenhöhe tragen dadurch b esonders stark zu der jeweiligen Messung b ei.
Für den Flug von León komp ensiert die Fluggeschwindigkeit des Balloninstruments
teilweise die Änderungen des Lichtweges durch den Sonnenuntergang, so daÿ die sp ek-
troskopierten Luftmassen relativ nahe b eieinander liegen. Der Flug von León muÿte
no ch vor der Beobachtung der letztmöglichen Sp ektren b eendet werden, um eine Lan-
dung des Ballon in der Nähe einer Schnellstraÿe bzw. eines dichter b esiedelten Gebietes
zu vermeiden.
Abbildung 4.4 zeigt den Sonnenzenitwinkel und den Längengrad des Balloninstru-
mentes während des Meÿuges. Üb er den Längengrad ist eine Zuordnung der jeweiligen
Zeit und des Sonnenzenitwinkels zu der Flugtra jektorie aus Abbildung 4.3 möglich. Bei
68
4.2. Flugtra jektorien des Balloninstrumentes
10˚W
10˚W
8˚W
8˚W
6˚W
6˚W
4˚W
4˚W
2˚W
2˚W
40˚N 40˚N
42˚N 42˚N
44˚N 44˚N
0 100 200 300
km
91.17
92.40
92.71
Madrid
León
Bilbao
Porto
13km
20km
Float/Ref
90˚ . . .
Cut
Abbildung 4.3.: León 96/11/23 Karte mit Flugtra jektorie und Lichtwegen [
Harder
1998]. Das Symbol
markiert die Ko ordinaten, an denen der Lichtweg eine Höhe von 40 km erreicht.
Für Sonnenzenitwinkel gröÿer als 90
sind die Tangentenpunkte des Lichtweges mit
F
und dem jeweiligen Sonnenzenitwinkel gekennzeichnet
2
3
4
5
6
14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:20 16:40 17:00
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
92
94
Längengrad (W) [°]
Sonnenzenitwinkel [°]
Universalzeit
León 96/11/23
Längengrad
SZW
Abbildung 4.4.: León: Sonnenzenitwinkel und Längengrad über der Zeit
69
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
dem herbstlichen Flug dauert der Sonnenuntergang etwa
5
:
3
min
=
SZW.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94
0
5
10
15
20
25
30
35
Luftsäulendichte [1025 Moleküle/cm2]
Höhe [km]
Sonnenzenitwinkel [°]
León 96/11/23
Luftsäulendichte
Höhe
Abbildung 4.5.: León: Flughöhe und Luftsäulendichte im Lichtweg üb er dem Sonnenzenitwinkel. Die
Meÿpunkte entsprechen jeweils einem aufgenommenen Spektrum
Abbildung 4.5 zeigt die Flughöhe des Instrumentes und die Luftsäulendichte für die
Messungen während des Fluges. Eine stabile Einkopp elung des Sonnenlichtes wurde
erstmals b ei etwa 5 km erreicht, während des Aufstieges in der Trop osphäre ging die
Ausrichtung der Lichteinkopp elung auf die Sonne mehrfach kurz verloren (Unterbre-
chungen der Graphen von Abb. 4.5). Die ersten Messungen b eginnen mit einer Luft-
säulendichte von
4
:
1
10
25
Luftmoleküle
=
cm
2
. Dies entspricht etwa der dopp elten Luft-
säulendichte, die b ei einem Luftdruck von 1013 hPa aus Meereshöhe b ei senkrecht ste-
hender Sonne b eobachtet würde (
2
:
15
10
25
Luftmoleküle
=
cm
2
).
Die Änderung der Aufstiegsgeschwindigkeit des Ballons b ei Eintritt in die stabile
Temp eraturschichtung der Stratosphäre gibt einen Anhaltspunkt für die Höhe der Tro-
p opause. Die geringste Luftsäulendichte wird b eim ersten Erreichen der gröÿten Flug-
höhe unter einem Sonnenzenitwinkel von 86.4
b eobachtet, das hierb ei aufgenommene
Sp ektrum dient als Fraunhoferreferenz. In den darauf folgenden Okkultationssp ektren
steigt die Luftsäulendichte im Lichtweg erneut auf etwa den dopp elten Wert der ersten
Messungen an.
Kiruna
Abbildung 4.6 zeigt die Flugtra jektorie während des Fluges b eginnend b ei Esrange
nahe Kiruna in Schweden üb er Finnland nach Russland. Die gesamte Flugtra jektorie
liegt in einer Region nördlich des Polarkreises in der Nähe des Polarwirb els. In der
Karte ist deshalb zusätzlich die sogenannte p otentielle Vortizität (PV) in einer Höhe
von etwa 18 km eingetragen (475 K p otentieller Temp eratur). Die p otentielle Vortizität
ist einer von mehreren Parametern, die sich an dem Rand des p olaren Wirb els ändern,
hier wird sie dazu verwendet, die Lage der sp ektroskopierten Lichtwege relativ zum
Polarwirb el zu b estimmen.
70
4.2. Flugtra jektorien des Balloninstrumentes
10˚E
10˚E
20˚E
20˚E
30˚E
30˚E
62˚N 62˚N
64˚N 64˚N
66˚N 66˚N
68˚N 68˚N
0 100 200 300
km
21.8
24.3
24.3
26.2
26.2
27.7
27.7
29.2
29.2
30.7
30.7
32.3
32.3
34.1
34.1
36.7
19.8
21.8
24.3
26.2
27.7
29.2
30.7
32.3
34.1
36.7
44.6
90.73
91.82
92.96
94.12
94.91
95.18
PV @ 475K
Esrange
Kiruna
Abbildung 4.6.: Kiruna 97/02/14 Karte mit Flugtra jektorie, Lichtwegen und p otentieller Vortizität
[
Harder
1998]. Das Symb ol markiert die Koordinaten, an denen der Lichtweg eine
Höhe von 40 km erreicht. Für Sonnenzenitwinkel gröÿer als 90
sind die Tangenten-
punkte des Lichtweges mit
F
und dem jeweiligen Sonnenzenitwinkel gekennzeichnet
Während des p olaren Winters führt die Abkühlung der Stratosphäre üb er den Pol-
kapp en zu einer Absenkung der Luftschichten und einem Zustrom von stratosphärischer
Luft aus mittleren Breiten. Durch die Drehimpulserhaltung ist dies mit der Ausbildung
eines p olaren Wirb els verbunden. Innerhalb des p olaren Wirb els ist die Luft während
des Winters und Frühlings eingeschlossen und weist eine andere chemische Zusammen-
setzung auf. Bekanntes Beispiel hierfür ist die Ausbildung des Ozonlo chs .
Die p otentielle Vortizität ist ein Parameter für die Stärke des p olaren Wirb els, die
Fläche mit dem gröÿten Gradienten für die p otentielle Vortizität hier b ei etwa 30 PV
Einheiten gilt als Grenze für den Polarwirb el. Die Flugtra jektorie des Balloninstru-
mentes liegt nach diesem Kriterium innerhalb des Polarwirb els während die Lichtwege
teilweise den Rand des Polarwirb els und Luft auÿerhalb des Polarwirb els erfassen. Die
Dissertation von
Zahn
[1995] gibt eine Untersuchung für den Zusammenhang zwischen
der p otentiellen Vortizität und der Isotop enzusammensetzung und stellt eine Metho de
zur Bestimmung der p otentiellen Vortizität vor.
71
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
20
22
24
26
28
30
32
12:20 12:40 13:00 13:20 13:40 14:00 14:20 14:40 15:00
82
84
86
88
90
92
94
Längengrad (Ost) [°]
Sonnenzenitwinkel [°]
Universalzeit
Kiruna 97/02/14
Längengrad
SZW
Abbildung 4.7.: Kiruna: Sonnenzenitwinkel und Längengrad über der Zeit
Durch den Flug nahe des nördlichen Polarkreises dauert der Sonnenuntergang mit
11
min
=
SZW für Kiruna nach Abbildung 4.7 vergleichsweise lang.
Die Luftsäulendichte in Abbildung 4.8 zeigt einen ähnlichen Verlauf wie während
des Fluges von León. Verursacht durch den gröÿeren Sonnenzenitwinkel ist die sp ek-
troskopierte Luftsäulendichte b eim Aufstieg knapp dopp elt so groÿ wie in León, die
eb enfalls etwa dopp elt so groÿe Luftsäulendichte b ei der Okkultation in Kiruna ist
durch das ugtechnisch notwendige frühere Beenden des Fluges von León b edingt.
In Höhe der Trop opause b ei etwa 9.2 km (Anhang A.18) wird eine deutliche Ände-
rung der Anstiegsgeschwindigkeit des Ballons b eobachtet. Die Höhenoszillationen nach
Erreichen der maximalen Flughöhe sind kleiner als in León.
0
2
4
6
8
10
12
14
82 84 86 88 90 92 94
0
5
10
15
20
25
30
35
Luftsäulendichte [1025 Moleküle/cm2]
Höhe [km]
Sonnenzenitwinkel [°]
Kiruna 97/02/14
Luftsäulendichte
Höhe
Abbildung 4.8.: Kiruna: Flughöhe und Luftsäulendichte im Lichtweg üb er dem Sonnenzenitwinkel
72
4.2. Flugtra jektorien des Balloninstrumentes
Gap
Abbildung 4.9 zeigt die Flugtra jektorie während des Fluges b eginnend in Gap, Südost-
frankreich. Der Ballonaufstieg fand zunächst in der Dunkelheit statt, so daÿ für diesen
Flug kein Aufstiegsprol b estimmt werden kann. Nach Erreichen der Gleichgewichts-
höhe von etwa 39.7 km wurde dann das Licht der aufgehenden Sonne sp ektroskopiert.
Die ersten sp ektroskopierten Lichtwege b eginnen mit Tangentenpunkten üb er Nordi-
talien und der Schweiz.
0˚
0˚
5˚O
5˚O
10˚O
10˚O
15˚O
15˚O
42˚N 42˚N
44˚N 44˚N
46˚N 46˚N
48˚N 48˚N
50˚N 50˚N
0 100 200 300
km
93.78
92.60
91.39
90.16
Abbildung 4.9.: Gap 97/06/20 Karte mit Flugtra jektorie und Lichtwegen [
Harder
1998]. Das Symb ol
markiert die Ko ordinaten, an denen der Lichtweg eine Höhe von 50 km erreicht.
Für Sonnenzenitwinkel gröÿer als 90
sind die Tangentenpunkte des Lichtweges mit
F
und dem jeweiligen Sonnenzenitwinkel gekennzeichnet
73
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
−2
0
2
4
6
03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00
55
60
65
70
75
80
85
90
95
Längengrad (Ost) [°]
Sonnenzenitwinkel [°]
Universalzeit
Gap 97/06/20
Längengrad
SZW
Abbildung 4.10.: Gap: Sonnenzenitwinkel und Längengrad über der Zeit
Der im Ho chsommer (97/06/20) vom Balloninstrument b eobachtete Sonnenaufgang
ist nach Abbildung 4.10 mit etwa
7
:
3
min
=
SZW langsamer als der Sonnenuntergang
während des Fluges von León im Spätherbst mit etwa
5
:
3
min
=
SZW. Dies erklärt sich
durch die hohe Fluggeschwindigkeit des Ballons in Richtung Osten (in entgegengesetz-
ter Richtung zum Sonnenuntergang) während des Fluges von León.
74
4.2. Flugtra jektorien des Balloninstrumentes
0.01
0.1
1
10
556065707580859095
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
Luftsäulendichte [1025 Moleküle/cm2]
Höhe [km]
Sonnenzenitwinkel [°]
Gap 97/06/20
Luftsäulendichte
Höhe
Abbildung 4.11.: Gap: Flughöhe und Luftsäulendichte im Lichtweg üb er dem Sonnenzenitwinkel
Nach Beobachtung des Sonnenaufgangs aus einer Höhe von 39.5 km wurde ab einem
Sonnenzenitwinkel von 85
(Abbildung 4.11) ein kontrollierter Abstieg vorgenommen,
um ähnlich wie b ei den Ballonaufstiegen in León und Kiruna eine zweite Möglichkeit zur
Prolb estimmung zur Verfügung zu hab en. Leider wurde die geplante Sinkgeschwin-
digkeit nicht erreicht, so daÿ Daten bis lediglich 31.3 km Höhe zur Verfügung stehen.
75
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
4.3. BrO Säulendichten
Die Abbildungen 4.12 bis 4.17 zeigen die gemessenen BrO Säulendichten während der
Meÿüge, die Werte enthalten no ch einen Oset durch die in der Fraunhoferreferenz
enthaltene BrO Säulendichte (Abschnitt 4.5) und sind skaliert für einen Wirkungsquer-
schnitt b ei T=223 K. Die Änderungen der gemessenen BrO Säulendichten Die schrägen
Säulendichten nehmen während der Ballonaufstiege zunächst leicht zu, da der Luft-
massenfaktor
1
durch die untergehende Sonne gröÿer wird. Mit steigender Flughöhe
b endet sich weniger BrO in der senkrechten Säule ob erhalb des Ballons, so daÿ die
schrägen Säulendichten trotz weiterhin steigendem Luftmassenfaktor abnehmen. Nach
Erreichen der Gleichgewichtshöhe nehmen die schrägen Säulendichten dann erneut zu,
da sowohl der Luftmassenfaktor steigt, als auch tiefere Luftschichten erneut in den
Lichtweg gelangen.
An der Trop opause ändert sich die Aufstiegsgeschwindigkeit, nach Erreichen der
maximalen Höhe schwingt der Ballon mit einer Amplitude von etwa 0.5 km und mit
einer für Brunt-Väisälä Schwingungen [
Roedel
1992] typischen Perio de von etwa 5 min
um die Gleichgewichtshöhe.
Im Prinzip könnten diese Schwingungen dazu verwendet werden, die zeitliche Ände-
rung der lokalen BrO Konzentration zu b estimmen. Die bisherigen Fluggeometrien
erlaub en diesen Nachweis jedo ch nicht, so traten während des Fluges von Kiruna
Höhenschwingungen um die Gleichgewichtslage erst b ei Sonnenzenitwinkeln gröÿer als
90
auf. Bei den Flugtra jektorien in León und Gap liegt, wie die folgende Abschät-
zung zeigt, die hierfür erforderliche Genauigkeit in der Bestimmung der BrO Säulen
wesentlich unterhalb der Nachweisgrenze.
Unter der Annahme eines Mischungsverhältnisses von 15 ppt BrO, einem Druck
von 10 hPa und einem lokalen Luftmassenfaktor von 20 variiert die optische Dichte
des BrO Sp ektrums lediglich um etwa
5
10
6
b ei einer Höhendierenz von 0.5 km.
Um eine signikante
2
Aussage üb er eine photo chemische Änderung der Bromoxidkon-
zentration von b eispielsweise 1.5 ppt aus zwei Einzelmessungen treen zu können, muÿ
unter Vernachlässigung aller anderen Fehlerquellen der
1
Fehler der BrO Säulendichte
eine geringere optische Dichte als
1
:
8
10
7
aufweisen. Während einer Schwingungs-
dauer von 5 min ändert sich der Sonnenzenitwinkel während des Fluges von León um
jeweils etwa
1
und es können b ei einem Meÿzyklus von 20 s Dauer etwa 15 Messungen
vorgenommen werden, von denen etwa 10 eine nutzbare Höhendierenz aufweisen. Im
Bereich Nähe der photo chemisch interessanten Sonnenzenitwinkel von etwa
88
90
stehen somit
20
(statt
2
) Messungen zur Dierenzbildung zur Verfügung. Der
1
Fehler
der BrO Säulendichte müÿte daher eine geringere optische Dichte als
5
:
7
10
7
hab en.
Der durch den nichtlinearen Fit b estimmte Fehler des BrO-Fitko ezienten entspricht
b ei einem Sonnenzenitwinkel von
89
einer optischen Dichte von
2
10
5
, so daÿ für
diese Beobachtungssituation eine photo chemische Änderung der Bromoxidkonzentra-
tion weit unterhalb der Nachweisgrenze liegt.
1
Luftmassenfaktor - Verhältnis der tatsächlichen Lichtweglänge zur Lichtweglänge bei senkrechtem
Lichteinfall
2
Signikant Mit einer Wahrscheinlichkeit von gröÿer als 95% richtige Aussage
76
4.3. BrO Säulendichten
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
15:
00:
00
15:
30:
00
16:
00:
00
16:
30:
00
5
10
15
20
25
30
35
BrO column density [1014 molecules/cm2]
Height
UT
Len 96/11/23
BrO
Height [km]
Abbildung 4.12.: BrO Säulendichten und Flug-
höhe üb er dem Sonnenzenitwin-
kel während des Ballonaufstie-
ges von León
0
1
2
3
4
5
6
16:
10:
00
16:
20:
00
16:
30:
00
16:
40:
00
16:
50:
00
17:
00:
00
29
29.5
30
30.5
31
31.5
BrO column density [1014 molecules/cm2]
Height
UT
Len 96/11/23
BrO
Height [km]
Abbildung 4.13.: BrO Säulendichten und Flug-
höhe üb er dem Sonnenzenitwin-
kel während des Sonnenunter-
gangs von León
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
12:
00:
00
12:
30:
00
13:
00:
00
13:
30:
00
14:
00:
00
14:
30:
00
5
10
15
20
25
30
BrO column density [1014 molecules/cm2]
Height
UT
Kiruna 97/02/14
BrO
Height [km]
Abbildung 4.14.: BrO Säulendichten und Flug-
höhe üb er dem Sonnenzenitwin-
kel während des Ballonaufstie-
ges von Kiruna
0
2
4
6
8
10
14:
00:
00
14:
10:
00
14:
20:
00
14:
30:
00
14:
40:
00
14:
50:
00
28.6
28.8
29
29.2
29.4
29.6
29.8
30
30.2
30.4
BrO column density [1014 molecules/cm2]
Height
UT
Kiruna 97/02/14
BrO
Height [km]
Abbildung 4.15.: BrO Säulendichten und Flug-
höhe üb er dem Sonnenzenitwin-
kel während des Sonnenunter-
gangs von Kiruna
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
03:
00:
00
04:
00:
00
05:
00:
00
06:
00:
00
07:
00:
00
08:
00:
00
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
BrO column density [1014 molecules/cm2]
Height [km]
UT
Gap 97/06/20
BrO
Height
Abbildung 4.16.: BrO Säulendichten und Flug-
höhe üb er dem Sonnenzenit-
winkel während des gesamten
Fluges von Gap
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
05:
00:
00
06:
00:
00
07:
00:
00
08:
00:
00
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
BrO column density [1014 molecules/cm2]
Height [km]
UT
Gap 97/06/20
BrO
Height
Abbildung 4.17.: BrO Säulendichten und Flug-
höhe üb er dem Sonnenzenitwin-
kel während des Sinkuges von
Gap
77
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
4.4. Schritte zur Prolb estimmung
Abbildung 4.18 gibt einen Üb erblick üb er die Datenverarb eitung von der Sp ektrenauf-
nahme bis zum Spurenstoprol. Der folgende Abschnitt b efaÿt sich mit der Bestim-
mung des Spurenstogehaltes in der Fraunhoferreferenz und des mittleren Mischungs-
verhältnisses ob erhalb der Ballongipfelhöhe.
4.5. Mittlere BrO Konzentration ob erhalb der
Ballongipfelhöhe
Abbildung 4.19 dient zur Bestimmung des BrO Säulendichte in der Fraunhoferreferenz
und des mittleren BrO Mischungsverhälnisses ob erhalb der Gleichgewichtshöhe für den
Flug von León. Die Abbildung ist vergleichbar mit dem für b o dengestützte DOAS Mes-
sungen verwendeten Langley Diagramm [
Langley
1890] der schrägen BrO Säulendichten
üb er dem Luftmassenfaktor
LM F
. Für die Umrechnung schräger Säulendichten
S C D
in vertikale Säulendichten
V C D
gilt die Gleichung
S C D
=
V C D
LM F
RE F
mit
RE F
der Säulendichte im Referenzsp ektrum bzw. für Direktlichtmessungen
S C D
=
K
L
RE F
mit der mittleren Konzentration
K
und der Lichtweglänge
L
.
Die Steigung der Regressionsgeraden für die Messungen nach Erreichen der Gleich-
gewichtshöhe und no ch vor Sonnenuntergang (ausgefüllte Rechtecke,
86
:
4
SZW
89
) gibt direkt das mittlere BrO Mischungsverhältnis ob erhalb der Gleichgewichtshöhe
an. Dies gilt unter der Annahme, daÿ die BrO Konzentration lediglich eine Funktion der
Höhe ist und insb esondere keine zeitliche Änderung und keinen horizontalen Gradien-
ten zeigt. Die BrO Säulendichte der Fraunhoferreferenz wird üb er den Schnittpunkt der
Interp olationsgeraden mit der Abszisse b estimmt. Bis zu einem Sonnenzenitwinkel von
90
wird keine nennenswerte Abweichung der BrO Säulendichte von der Regressionsge-
raden b eobachtet. Dieses Ergebnis ist ein Hinweis dafür, daÿ das Mo dell von Abbildung
1.4 möglicherweise mo diziert werden muÿ. Obwohl die dort gezeigte Partitionierung
des Broms durch verschiedene Annahmen für das Mo dell (etwa Flughöhe, Aerosolob er-
äche und NO
2
Konzentration) nicht direkt mit den Daten des Leónuges vergleichbar
ist, wird b ereits eine deutliche Abnahme des BrO für Sonnenzenitwinkel kleiner als 90
mo delliert. Die in dem unteren Ast der Meÿwerte liegenden Daten gehören zur Bal-
lonaufstiegsphase und entsprechen einem geringeren mittleren Mischungsverhältnis.
Die Abweichung der Meÿwerte von der Regressionsgeraden für Sonnenzenitwinkel
gröÿer als
90
ist einerseits durch das geringere Mischungsverhältnis unterhalb der
maximalen Ballonughöhe b edingt, könnte andererseits auch einen zusätzlichen Beitrag
durch eine photo chemische Abnahme von BrO enthalten.
Für das Kirunareferenzsp ektrum ist die BrO Säulendichte der Fraunhoferrefenz nur
ungenau üb er die Abbildung 4.21 b estimmbar. Durch die für den Spätwinter typischen
hohen stratosphärischen Windgeschwindigkeiten und den in hohen Breiten langsamen
Sonnenuntergang konnte nur eine Fraunhoferreferenz mit relativ hoher Luftsäulendichte
und hohem Sonnenzenitwinkel gemessen werden. Zudem stehen vergleichsweise wenige
Meÿwerte für eine Extrap olation zur Bestimmung des Achsenabschnittes zur Verfü-
gung, so daÿ die Extrap olation zur Bestimmung der BrO Säulendichte in der Fraun-
hoferreferenz von Kiruna einen relativ hohen Fehler aufweisen würde. Daher werden
die Sp ektren während des Fluges von Kiruna sowohl mit der Fraunhoferreferenz von
78
4.5. Mittlere BrO Konzentration ob erhalb der Ballongipfelhöhe
Emissionslinien
Messung von
und Dunkelstrom
Messung von Offset
Skalierung mit
Literaturspektrum
Glättung Wellenlängeneichung
Wellenlängeneichung Apparatefunktion
Anpassung auf
Vergleich der gemessenen
und modellierten Spuren-
stoffsäulendichten
Spektrenaufnahme
während Ballonflug (Long., Lat., t, h, T, P)
Flugdaten
gemeinsame Dehnung und Verschiebung
Glättung
Logarithmierung Streulichtkorrektur
Subtraktion
Polynom
Addition
massenfaktormatrix
Profilbestimmung über
Invertierung der Luft-
Auswahl des Fraunhofer-
referenzspektrums
EingangsdatenProfilbestimmung
Bestimmung der Spurenstoffsäulendichten mit nichtlinearem Fit
Auswertung der Meßspektren
Bestimmung der Luft-
massenfaktormatrix
Chemiemodell
Chemiemodell und Luft-
Modellierung der Spuren-
Wirkungsquerschnitt
Korrektur für temperaturabhängigen
"Zwiebelschälen"
Profilbestimmung über
Absolutes Spurenstoffprofil
Luftmassenfaktors
Bestimmung des lokalen
massenfaktormatrix
stoffsäulendichten durch
Bestimmung der Luft-
der Photochemie
massenfaktormatrix unter
Berücksichtigung
Reststrukturen
Relatives Spurenstoffprofil
(Mischungsverhältnis)
Division durch Teilchendichte
Messung von Labor-
referenzspektren spektren
Literaturreferenz-
mittleren Mischungsverhältnisses
oberhalb der Ballongipfelhöhe
Bestimmung der Spurenstoffsäulendichte
im Fraunhoferreferenzspektrum und des
Abbildung 4.18.: Schema der Schritte zur Prolbestimmung. Kapitel 4 b efaÿt sich mit den für die
Bestimmung des Konzentrationsproles eines Spurenstoes vorgenommenen Schrit-
ten. Die ob erhalb der gepunkteten Linie dargestellten Schritte sind Thema von
Kapitel 3
79
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
0 2 4 6 8 10 12
-4
-2
0
2
4
6
8
10
BrO Säulendichte [10 13 Moleküle/cm 2]
Luftsäulendichte [1024 Moleküle/cm2]
Sonnenuntergang
Aufstieg
82.6° SZW
25 km
79.9° SZW
20 km
89° SZW
30.7 km
77.7° SZW
15.8 km
Referenz
86.4° SZW
30.7 km
90° SZW
30.7 km
Steigung (14.4±2.6) ppt
León 1996/11/23
Abbildung 4.19.: León Bromoxid Säulendichte üb er der Luftsäulendichte, Diagramm zur Bestimmung
des mittleren Mischungsverhältnisses ob erhalb der Ballongipfelhöhe und der BrO
Säulendichte in der Fraunhoferreferenz
-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
BrOLeonreferenz=BrOKirunareferenz*0.983 + 0.535*1014 Moleküle/cm2
BrOLeonreferenz [1014 Moleküle/cm2]
BrOKirunareferenz [1014Moleküle/cm2]
Abbildung 4.20.: Regression zur Bestimmung der Dierenz der BrO Säulendichten zwischen dem
Fraunhoferreferenzsp ektrum von León und Kiruna
80
4.5. Mittlere BrO Konzentration ob erhalb der Ballongipfelhöhe
Kiruna als auch mit der Fraunhoferreferenz von León ausgewertet. Aus der Regres-
sionsgerade in Diagramm 4.20 b estimmt sich der Unterschied der BrO Säulendichte
b eider Referenzen.
0 2 4 6 8 10 12
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
BrO Säulendichte [1013 Moleküle/cm2]
Luftsäulendichte [1024 Moleküle/cm2]
92.6° SZW
29.9 km
bekannter
Achsenabschnitt
90° SZW
30.3 km
Referenz
88.8° SZW
28.8 km
87.4° SZW
25 km
85.8° SZW
20 km
Sonnenuntergang
Aufstieg
Steigung (15.6±2.8) ppt
Kiruna 1997/02/14
Abbildung 4.21.: Kiruna Bromoxid Säulendichte üb er der Luftsäulendichte nahe der Referenz
Unter Ausnutzung der nun b ekannten BrO Säulendichte im Referenzsp ektrum
RE F
= (8
:
96
1
:
6)
10
13
Moleküle
=
cm
2
b eträgt die mittlere BrO Konzentration
K
= 15
:
57
2
:
8
ppt ob erhalb der Ballongipfelhöhe. Wie auch b ei den León b estimmten
BrO Säulendichten wird für Sonnenzenitwinkel unter 90
keine signikante Abweichung
von der Regressionsgeraden b eobachtet.
Für den Flug von Gap wird üb er die Steigung der Regressionsgeraden aus Abbildung
4.23 die mittlere BrO Konzentration ob erhalb des Ballons zu
15
:
26
2
:
8
ppt b estimmt.
Abbildung 4.25 erlaubt eb enfalls eine Abschätzung des mittleren BrO Mischungs-
verhältnisses im Lichtweg, auch hier wird zwischen Sonnenzenitwinkeln von
86
91
ein
etwa konstantes Mischungsverhältnis b eobachtet. Die gröÿere Streuung der b estimm-
ten Mischungsverhältnisse b ei geringeren Sonnenzenitwinkeln ist hier durch die hohe
Ballongipfelhöhe in Gap b edingt. Durch die geringen Luftsäulendichten b ei kleinen
Sonnenzenitwinkeln werden die Mischungsverhältnisse zunehmend ungenauer, b ei Son-
nenzenitwinkeln kleiner als
85
b efand sich das Instrument b ereits im Sinkug (Abb.
4.11).
81
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
0 20 40 60 80 100 120 140
0
20
40
60
80
10 km
BrO Säulendichte [1013 Moleküle/cm2]
Luftsäulendichte [1024 Moleküle/cm2]
92° SZW
30.1 km
93° SZW
30.1 km
83.9° SZW
13 km
85.8° SZW
20 km
82.6° SZW
4.5 km
Sonnenuntergang
Aufstieg
Steigung
(15.6±2.8) ppt
Kiruna 1997/14/02
Abbildung 4.22.: Kiruna Bromoxid Säulendichte üb er der Luftsäulendichte
0 1 2 3 4 5 6
-2
0
2
4
6
8
10
BrO Säulendichte [1013 Moleküle/cm2]
Luftsäulendichte [1024 Moleküle/cm2]
91° SZW
39.7 km
85° SZW
39.6 km
90° SZW
39.6 km
Sonnenaufgang
Steigung (15.26±2.8) ppt
Gap 1997/06/20
Abbildung 4.23.: Gap Bromoxid Säulendichte üb er der Luftsäulendichte nahe der Referenz. Zur Aus-
wertung des Mischungsverhältnisses ob erhalb der Gleichgewichtshöhe sind die BrO
Säulendichten auf einen Wirkungsquerschnitt
263
K
(Abbildung A.20) skaliert
82
4.5. Mittlere BrO Konzentration ob erhalb der Ballongipfelhöhe
0 10 20 30 40 50 60
0
10
20
30
40
50
BrO Säulendichte [1013 Moleküle/cm 2]
Luftsäulendichte [1024 Moleküle/cm2]
91° SZW
92° SZW
39.6 km
93° SZW
39.7 km
94° SZW
39.6 km
Sonnenaufgang
Steigung
(15.26±2.8) ppt
Gap 1997/06/20
Abbildung 4.24.: Gap Bromoxid Säulendichte üb er der Luftsäulendichte. Zur Auswertung des
Mischungsverhältnisses ob erhalb der Gleichgewichtshöhe sind die BrO Säulendichten
auf einen Wirkungsquerschnitt
263
K
(Abbildung A.20) skaliert
0
5
10
15
20
25
30
8586878889909192939495
1
10
100
Mittleres BrO Mischungsverhältnis im Lichtweg [ppt]
Luftsäulendichte im Lichtweg [1024 Moleküle/cm2]
Sonnenzenitwinkel [°]
Gap 97/06/20
BrO
Luftsäulendichte
Abbildung 4.25.: Mittleres BrO Mischungsverhältnis im Lichtweg. Die BrO Mischungsverhältniss sind
für Sonnenzenitwinkel
90
auf einen Wirkungsquerschnitt
263
K
(Abbildung A.20)
skaliert
83
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
4.6. Direktlicht Luftmassenfaktoren
0 . 0 1 . 5 2 . 2 3 . 3 4 . 5 6 . 8
7 . 5 1 0 1 5 2 2 3 3 4 5
6 8 7 5 1 0 0 1 1 5 1 3 0
H
o
e
h
e
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
Beobachtungsnummer
1 8 7 1 7 4 2 6 0 3 4 6
Abbildung 4.26.: Luftmassenfaktormatrix des Fluges León 96/11/23. Die Gröÿe des lokalen Luftmas-
senfaktors ist durch Helligkeit ko diert. So wurden b ei Beobachtung Nr. 87 Höhen-
segmente unterhalb von 15 km nicht b eobachtet (Luftmassenfaktor
;
), ob erhalb von
15 km sind die Lichtwege durch die Höhensegmente 3.3 bis 4.5 fach länger, als sie es
b ei senkrechtem Lichteinfall wären (Luftmassenfaktor 3.3 bis 4.5). Trop osphärische
Lichtwege (unterhalb 12.8 km) werden nur bei einem kleinen Teil der Messungen und
unter geringen Luftmassenfaktor betrachtet.
Die Luftmassenfaktoren für Direktlicht während der drei Meÿüge sind in Abbil-
dung 4.26 bis 4.28 dargestellt. Für kleine Sonnenzenitwinkel
ist der Luftmassenfaktor
L
in erster Näherung durch
L
=
1
cos(
)
gegeb en, durch die Erdkrümmung und Licht-
brechung weicht der einer Höhenschicht zugeordnete Luftmassenfaktor sowohl insb e-
sondere b ei gröÿeren Sonnenzenitwinkeln hiervon ab. Jeweils unterhalb der Flughöhe
des Balloninstrumentes o der unter der Tangentenhöhe des Lichtweges ist der Luft-
massenfaktor Null (helle Fläche in den Abbildungen). Während des Aufstiegs sind
Luftmassenfaktoren von
3
20
typisch, b ei Okkultation werden b ei niedrigen Tangen-
tenhöhen Luftmassenfaktoren bis üb er 100 erreicht. Durch die Beobachtung eines
Spurenstoprols mit unterschiedlichen Luftmassenfaktoren (d. h. Wichtungen) wäh-
rend des Ballonuges ist die Umrechnung von gemessenen schrägen Säulendichten zu
Höhenprolen möglich.
84
4.6. Direktlicht Luftmassenfaktoren
0 . 0 1 . 5 2 . 2 3 . 3 4 . 5 6 . 8
7 . 5 1 0 1 5 2 2 3 3 4 5
6 8 7 5 1 0 0 1 1 5 1 3 0
H
o
e
h
e
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
Beobachtungsnummer
1 1 3 9 2 7 7 4 1 4 5 5 2
Abbildung 4.27.: Luftmassenfaktormatrix des Fluges Kiruna 97/02/14
0 . 0 1 . 5 2 . 2 3 . 3 4 . 5 6 . 8
7 . 5 1 0 1 5 2 2 3 3 4 5
6 8 7 5 1 0 0 1 1 5 1 3 0
H
o
e
h
e
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
Beobachtungsnummer
1 1 8 9 3 7 6 5 6 4 7 5 1
Abbildung 4.28.: Luftmassenfaktormatrix des Fluges Gap 97/06/20
85
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
4.7. Prolb estimmung üb er Invertierung der
Luftmassenfaktormatrix
Die Bestimmung schräger Spurenstosäulendichten
!
S
m
aus
m
Direktlichtb eobachtun-
gen kann als Abbildung des Vektors der vertikalen Spurenstosäulendichte
!
V
n
mit
n
Höhenelementen üb er eine
m
n
Luftmassenfaktormatrix
L
mn
(englisch: air mass
factor matrix) verstanden werden:
!
S
m
=
0
B
@
L
11
L
1
n
.
.
.
.
.
.
.
.
.
L
m
1
L
mn
1
C
A
!
V
n
(4.1)
Die Luftmassenfaktormatrix
L
mn
wird unter Berücksichtigung sphärischer Geome-
trie und temp eraturabhängiger Luftbrechung durch Raytracing
3
b estimmt. Wird die
Luftmassenfaktormatrix invertiert, bzw. für
n
6
=
m
die Pseudoinverse
L
1
b estimmt,
kann die jeweilige vertikale Spurenstosäulendichte
!
V
m
direkt angegeb en werden. Da
für Direktlichtballonmessungen mit einer fokussierenden Optik die Zahl der Messungen
m
normalerweise wesentlich gröÿer als die der Höhensegmente
n
ist, ist die Gleichung
üb erb estimmt. Gleichzeitig ist die Luftmassenfaktormatrix durch nahezu gleiche Zei-
len schlecht konditioniert, weil sich die Beobachtungsgeometrie aufeinanderfolgender
Messungen kaum unterscheidet.
Eine numerisch stabile Metho de zur Invertierung ist die Eigenwertzerlegung
4
, hier-
b ei wird die Luftmassenfaktormatrix als Pro dukt dreier Matrizen
L
=
U W R
>
, einer
m
n
Matrix
U
, einer Diagonalmatrix
W
der Eigenwerte und einer
n
n
Drehmatrix
R
>
dargestellt. Die Invertierung von
L
erfolgt dann durch Transp onierung von
U
und
R
>
sowie durch Bildung des Kehrwerts der Diagonalmatrix
W
(Gleichung 4.2).
!
V
n
=
RW
1
U
>
|{z }
L
1
!
S
m
(4.2)
Hierb ei wird derjenige Lösungsvektor
!
V
b estimmt, der den Zielvektor
!
S
im Sinne
kleinster Fehlerquadrate optimal approximiert.
Kritisch b ei der Invertierung von
L
ist die Kehrwertbildung der Eigenwertmatrix
W
, da b esonders die kleinen Eigenwerte schlecht b estimmt sind und eventuell durch
zufällige Schwankungen dominiert werden. Durch die Kehrwertbildung hab en jedo ch
gerade diese Werte einen groÿen Einuÿ auf
L
1
, so daÿ es sinnvoll ist, diese Eigenwerte
von der Invertierung auszuschlieÿen.
Eine Möglichkeit hierzu ist die Beschränkung des Verhältnisses des gröÿten Eigen-
werts zum kleinsten Eigenwert von
W
, der sogenannten Kondition K von W. Für das
gestellte Problem der Invertierung der Luftmassenfaktormatrix hat sich eine Begren-
zung der Kondition auf etwa K=30 als sinnvoll erwiesen. Dab ei ist jedo ch darauf zu
achten, daÿ nicht einer von zwei
dicht
aufeinanderfolgenden Eigenwerten verworfen
wird.
3
Strahlverfolgung
4
Singular Value Decomp osition [
Wilkinson und Reinsch
1971]
86
4.7. Prolb estimmung üb er Invertierung der Luftmassenfaktormatrix
Die maximal sinnvolle Kondition wird durch mehrere Faktoren b estimmt. Eine wich-
tige Begrenzung ist die Ungenauigkeit in der Höhenb estimmung des GPS-Systems, diese
ist einerseits technisch b edingt, andererseits durch die
selective availability
5
verursacht.
Mit einer angenommenen mittlere Höhenunsicherheit von 0.1 km sind die Zeilen der
Luftmassenfaktormatrix mit einer Genauigkeit von
1
:
3%
b ekannt. Die systematischen
Fehler aufeinanderfolgender Höhenb estimmungen sind durch die nicht rekonstruier-
baren Empfangsb edingungen für die einzelnen Satelliten und die
selective availability
nicht voneinander unabhängig, so daÿ der Einuÿ auf die invertierte Luftmassenfak-
tormatrix schlecht abschätzbar ist.
Wegen der durch die Diskretisierung b edingten Annahme einer konstanten
Konzentration im jeweiligen Höhensegment ist ein mittlerer Fehler der Elemente
der Luftmassenfaktormatrix b edingt. Bei einem Abstand der Segmentgrenzen von
h=1 km und einer angenommenen Halbwertslänge von 5.5 km für den atmosphärischen
Druck weisen die Elemente der Luftmassenfaktormatrix einen typischen Fehler von
q
R
0
:
5
k m
0
:
5
k m
(2
h
5
:
5
km
1)
2
dh
3
:
6%
auf. Kleinere Segmentgrenzen etwa von 0.5 km
verringern zwar diesen Fehler, die Höhendierenzen liegen damit b ereits in der
Gröÿenordnung der GPS-Höhenunsicherheit und gleichzeitig verdopp elt sich die Zahl
der Spalten der Luftmassenfaktormatrix, so daÿ die Prolb estimmung numerisch
instabiler wird.
Zusammen mit dem relativ einfachen Raytracing, im verwendeten Mo dell werden
nur jeweils vier Beobachtungswege b erechnet, scheint die Begrenzung der Kondition
auf K
.
30 gerechtfertigt.
Die Prolb estimmung durch Invertierung der Luftmassenfaktormatrix wird mit dem
Programm Damf
6
, das von Marcus Schulte erstellt wurde, vorgenommen. Eine ausführ-
liche Beschreibung des Programmes ndet sich in
Schulte
[1996]. Abbildungen 4.29 bis
4.33 zeigen die invertierten Luftmassenfaktormatrizen
L
1
jeweils für Aufstieg und
Okkultation.
Die Aufstiegsdiagramme enthalten jeweils eine deutliche Struktur mit p ositiven
ob erhalb (weiÿ) und negativen Werten (schwarz) unterhalb der jeweiligen Flughöhe.
Horizontalschnitte der Diagramme zeigen, daÿ zeitlich kurz vor und nach der Beob-
achtung vorgenommene Messungen mit einen etwa gleichen Faktor die Konzentration
einer Höhenschicht b estimmen. Durch die vertikalen Strukturen der Diagramme ist
eine lokale Höhenauösung vorgegeb en, sie b eträgt typisch etwa 23 km.
Auÿerhalb der durch die Flughöhe bzw. Tangentenpunkthöhe vorgegeb enen Struk-
tur der Matrix zeigen die invertierten Matrizen ein schachbrettähnliches Muster. Durch
die für jeweils eine Höhenschicht um Null schwankenden Matrixelemente ist der resul-
tierende Eekt auf das Konzentrationsprol gering, denno ch schmälern diese durch
die Eigenwertzerlegung eingeführten und physikalisch nicht b egründbaren Oszillatio-
nen der Matrixelemente das Vertrauen in die b estimmten Konzentrationsprole. Bei
den Aufstiegsprolen werden die Konzentrationen daher zusätzlich mit einem zweiten
Verfahren, dem sogenannten Zwieb elschälen (Onion-p eeling) veriziert.
Zur Konzentrationsb estimmung ob erhalb der Maximalhöhe des Balloninstrumentes
5
Selective availability (des GPS Systems) Verfügbarkeit für einzelne Nutzer(-grupp en), die Posi-
tionssignale werden durch pseudozufällige Verzögerungen künstlich verschlechtert, einigen militä-
rischen Anwendern und zivilen Nutzern steht durch Kenntnis des Pseudozufallsco des jedo ch die
volle Auösung zur Verfügung
6
Direct light Air Mass Factors - Direktlichtluftmassenfaktoren
87
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
M - 0 . 0 0 3 - 0 . 0 0 2 6 - 0 . 0 0 2 2 - 0 . 0 0 1 8
- 0 . 0 0 1 4 - 0 . 0 0 1 - 0 . 0 0 0 6 - 0 . 0 0 0 2
0 . 0 0 0 2 0 . 0 0 0 6 0 . 0 0 1 0 . 0 0 1 4
0 . 0 0 1 8 0 . 0 0 2 2 0 . 0 0 2 6 0 . 0 0 3
H
o
e
h
e
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
Beobachtungsnummer
1 5 9 1 1 7 1 7 5 2 3 3
Abbildung 4.29.: Invertierte Luftmassenfaktormatrix für den Aufstieg des Fluges León 96/11/23. Die
Gröÿe der Matrixelemente ist durch Helligkeit kodiert. Es bieten sich zwei Lesarten
für die Interpretation an. Horizontalschnitte durch die Matrix zeigen, mit welchem
Faktor die schrägen Säulendichten der Beobachtungen zu jeweils einem Höhenseg-
ment b eitragen. Vertikalschnitte zeigen, zu welchen Höhensegmenten die Säulen-
dichte jeweils einer Beobachtung p ositiv o der negativ beiträgt
wird die in Kapitel 4.5 b eschrieb ene lineare Regression verwendet.
4.8. Alternative Verfahren zur Prolb estimmung
Mit der Metho de des Onionp eelings ( Zwieb elschälens ) bzw. des dierentiellen Onion-
p eelings steht eine weitere direkte Metho de zur Prolb estimmung zur Verfügung. Die
Veränderung der gemessenen schrägen Spurenstosäulen während des Ballonaufstieges
wird unter Berücksichtigung der Beobachtungsgeometrie auf die lokale Spurenstokon-
zentration zurückgeführt.
Das Programm Damf ist durch R. Fitzenb erger und H. Harder um die Metho de des
Onionp eelings bzw. des dierentiellen Onionp eelings ergänzt worden. In der Disser-
tation von
Harder
[1999] werden die Onionp eelingmetho den näher erläutert, in den
folgenden Proldiagrammen sind für die Aufstiegsmessungen die Ergebnisse des dif-
ferentiellen Onionp eelings aufgenommen. Bei dem dierentiellen Onionp eeling werden
aufeinanderfolgende Messung gewichtet mit dem lokalen Luftmassenfaktor voneinander
subtrahiert und der Konzentration der mittlerweile durchlaufenen Höhe zugeschrieb en.
Durch die Dierenzbildung jeweils zweier Fitko ezienten weisen die so b estimmten ein-
zelnen Konzentrationen eine relativ starke Streuung auf. Allerdings stehen durch eine
typische Aufstiegsgeschwindigkeit von etwa 15 km/h (vgl. Abb. 4.14) b ei einem Meÿzy-
88
4.8. Alternative Verfahren zur Prolb estimmung
M - 0 . 0 0 1 5 - 0 . 0 0 1 3 - 0 . 0 0 1 1 - 0 . 0 0 0 9
- 0 . 0 0 0 7 - 0 . 0 0 0 5 - 0 . 0 0 0 3 - 0 . 0 0 0 1
0 . 0 0 0 1 0 . 0 0 0 3 0 . 0 0 0 5 0 . 0 0 0 7
0 . 0 0 0 9 0 . 0 0 1 1 0 . 0 0 1 3 0 . 0 0 1 5
H
o
e
h
e
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
Beobachtungsnummer
1 2 7 5 2 7 8 1 0 3
Abbildung 4.30.: Invertierte Luftmassenfaktormatrix für den Sonnenuntergang des Fluges León
96/11/23
M - 0 . 0 0 1 5 - 0 . 0 0 1 3 - 0 . 0 0 1 1 - 0 . 0 0 0 9
- 0 . 0 0 0 7 - 0 . 0 0 0 5 - 0 . 0 0 0 3 - 0 . 0 0 0 1
0 . 0 0 0 1 0 . 0 0 0 3 0 . 0 0 0 5 0 . 0 0 0 7
0 . 0 0 0 9 0 . 0 0 1 1 0 . 0 0 1 3 0 . 0 0 1 5
H
o
e
h
e
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
Beobachtungsnummer
1 9 6 1 9 2 2 8 7 3 8 2
Abbildung 4.31.: Invertierte Luftmassenfaktormatrix für den Aufstieg des Fluges Kiruna 97/02/14
89
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
M - 0 . 0 0 1 2 - 0 . 0 0 1 0 4 - 0 . 0 0 0 8 8 - 0 . 0 0 0 7 2
- 0 . 0 0 0 5 6 - 0 . 0 0 0 4 - 0 . 0 0 0 2 4 - 0 . 0 0 0 0 8
0 . 0 0 0 0 8 0 . 0 0 0 2 4 0 . 0 0 0 4 0 . 0 0 0 5 6
0 . 0 0 0 7 2 0 . 0 0 0 8 8 0 . 0 0 1 0 4 0 . 0 0 1 2
H
o
e
h
e
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
Beobachtungsnummer
1 4 3 8 5 1 2 7 1 6 9
Abbildung 4.32.: Invertierte Luftmassenfaktormatrix für den Sonnenuntergang des Fluges Kiruna
97/02/14
M - 0 . 0 0 0 9 - 0 . 0 0 0 7 8 - 0 . 0 0 0 6 6 - 0 . 0 0 0 5 4
- 0 . 0 0 0 4 2 - 0 . 0 0 0 3 - 0 . 0 0 0 1 8 - 0 . 0 0 0 0 6
0 . 0 0 0 0 6 0 . 0 0 0 1 8 0 . 0 0 0 3 0 . 0 0 0 4 2
0 . 0 0 0 5 4 0 . 0 0 0 6 6 0 . 0 0 0 7 8 0 . 0 0 0 9
H
o
e
h
e
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
Beobachtungsnummer
1 5 4 1 0 7 1 6 0 2 1 3
Abbildung 4.33.: Invertierte Luftmassenfaktormatrix für den Sonnenaufgang des Fluges Gap 97/06/20
90
4.8. Alternative Verfahren zur Prolb estimmung
klus von 15
20 s genügend Werte für eine Glättung zur Verfügung. Zur Vergleichbarkeit
mit den üb er Matrixinvertierung b estimmten Konzentrationen wurde hier eine Glät-
tung von 1 km Halbwertsbreite vorgenommen. Die Abweichungen zwischen den mit
b eiden Metho den b estimmten Konzentrationen sind zum Teil dadurch b edingt, daÿ
b ei der Matrixinvertierung die Fitko ezienten des gesamten Fluges (jeweils eine Zeile
der invertierten Luftmassenfaktormatrix) b erücksichtigt werden, während das dieren-
tielle Onionp eeling nur zeitlich und räumlich nahe aufeinanderfolgende Fitko ezienten
verwendet.
Neb en den hier verwendeten direkten Verfahren gibt es iterative Metho den zur
Prolb estimmung, die ein geeignetes Anfangsprol solange variieren, bis eine optimale
Mo dellierung der gemessenen Säulendichten erreicht ist. In der Diplomarb eit von
Del-
brück
[1992] wird für b o dengestützte Messungen ein Vergleich zwischen den dort vor-
gestellten Metho den der Chahine-Relaxation, des Simulated Annealing und der hier
verwendeten Invertierung der Luftmassenfaktormatrix vorgenommen. Im Rahmen des
dort gestellten Problems erwiesen sich die Verfahren als gleichwertig.
Durch eine Kombination der Metho den wäre eine geringfügige Verb esserung der
Prolb estimmung möglich. Das durch die Invertierung der Luftmassenfaktormatrix
b estimmte Spurenstoprol könnte dab ei als Eingangsvektor für ein iteratives Verfah-
ren dienen. Die iterativen Verfahren selbst müÿten dann nicht notwendig die jeweiligen
Höhensegmente gleich b ehandeln (wie es durch die Begrenzung der Kondition b ei der
invertierten Luftmassenfaktormatrix geschieht), durch Verwendung eines entsprechend
parameterisierten Prolvektors könnte b eispielsweise ein relativ glattes Spurenstomi-
schungsverhältnis in der mittleren bis ob eren Stratosphäre erzwungen werden.
91
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
92
4.9. BrO Konzentrationsprole
4.9. BrO Konzentrationsprole
0
5
10
15
20
25
30
35
40
−5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Höhe [km]
Konzentration [106 Moleküle/cm3]
[BrO]
León 96/11/23 Aufstieg
Tropopause
Invertierung
Onion peeling
Abbildung 4.34.: BrO Konzentrationsprol León Ballonaufstieg
Abbildung 4.34 zeigt die mit der Metho de des Onionp eelings und Matrixinvertie-
rung b estimmten absoluten BrO Prole während des Aufstiegs in León. Bei der Onion-
p eeling Metho de wurde eine Glättung mit einer Halbwertsbreite (FWHM) von 1 km
auf die Werte angewandt. In Höhe der Trop opause b ei 12.8 km werden Konzentrationen
von
(0
2)
10
6
Moleküle
=
cm
3
b estimmt, ob erhalb der Trop opause steigen die Konzen-
tration innerhalb von etwa 5 km auf
18
10
6
Moleküle
=
cm
3
an, ob erhalb des Maximums
fallen die Konzentrationen relativ gleichmäÿig bis auf
4
:
8
10
6
Moleküle
=
cm
3
b ei Errei-
chen der maximalen Flughöhe ab. Die inneren (
1
) Fehlerbalken zeigen den Beitrag
der Fitpräzision (Abschnitt 3.2.6), die äuÿeren Fehlerbalken enthalten zusätzlich den
quadratisch addierten Gesamtfehler von 18%.
Die Abbildung 4.35 zeigt das aus den schrägen BrO-Säulendichten, die zeitlich nach
dem Fraunhoferreferenzsp ektrum b estimmt wurden, errechnete absolute BrO Prol
während des Sonnenuntergangs des Fluges von León. In 30 km Höhe b eginnt das Okkul-
tationsprol b ei
4
:
6
10
6
Moleküle
=
cm
3
mit einer geringfügig niedrigeren Konzentration
als während des Aufstiegs, die Dierenz liegt allerdings no ch innerhalb der Fehlerbal-
ken für die Fitpräzision. Zu niedrigeren Höhen nimmt das absolute Konzentrationsprol
erneut zu, bleibt jedo ch stets unterhalb der Konzentrationen während des Aufstieges.
Dies wird in den folgenden b eiden Abbildungen für das Mischungsverhältnis deutlicher.
Die Abbildungen 4.36 und 4.37 zeigen die aus den absoluten Konzentrationen üb er
die Druckdaten des Klimamo delles des UKMO (United Kingdom Meteorological Oce)
b erechneten BrO Mischungsverhältnisse. Während des Aufstiegs zeigt sich ein nahezu
gleichmäÿiger Anstieg von 0 bis auf etwa 15 ppt b ei der maximalen Flughöhe. Der
93
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
0
5
10
15
20
25
30
35
40
−5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Höhe [km]
Konzentration [106 Moleküle/cm3]
[BrO]
León 96/11/23 Sonnenuntergang
Tropopause
Abbildung 4.35.: BrO Konzentrationsprol León Sonnenuntergang (ohne Berücksichtigung der Pho-
to chemie längs des Lichtweges)
Wert für das mittlere BrO Mischungsverhältnis ob erhalb der maximalen Flughöhe
wurde üb er Abbildung 4.19 b estimmt und ist sowohl für das Aufstiegs- als auch für
das Okkultationsprol eingetragen.
Während des Aufstieges in Kiruna werden deutlich höhere absolute BrO Konzen-
trationen als in León b eobachtet (Abb. 4.38). Hier b eginnen die Konzentrationen mit
etwa
0
:
5
10
6
Moleküle
=
cm
3
knapp unterhalb der hier mit 9.2 km wesentlich tieferen
Trop opause (Anh. A.18). Die BrO Konzentrationen steigen dann innerhalb von 5 km
auf ein Maximum von
30
10
6
Moleküle
=
cm
3
und nehmen dann mit Erreichen der maxi-
malen Flughöhe auf einen Wert von
4
:
2
10
6
Moleküle
=
cm
3
ab. Bei der Okkultation
wird hier üb er die Matrixinvertierung mit
3
:
6
10
6
Moleküle
=
cm
3
eine etwas geringere
Konzentration b eobachtet, auch die Konzentrationen in niedrigeren Höhen erreichen
nicht mehr die Werte während des Ballonaufstieges. Die Metho de des dierentiellen
Onionp eelings kann hier nur Konzentrationen bis zu einer Höhe von 28.8 km (vgl. Abb.
4.15) liefern, da wegen des Sonnenuntergangs trotz weiter zunehmender Flughöhe die
BrO Säulendichte erneut ansteigt.
Die Abbildungen 4.40 und 4.41 zeigen die auf das Mischungsverhältnis umgerechne-
ten BrO Prole für Aufstieg und Okkultation. Die Darstellung als Mischungsverhältnis
legt eine Erklärung für die in Kiruna höheren absoluten Konzentrationen nahe: wer-
den jeweils die Mischungsverhältnisse für den Aufstieg verglichen, dann zeigen b eide
den gleichen Verlauf, wenn die Trop opausenhöhen aufeinandergelegt werden. Durch die
Absenkung der stratosphärischen Luftmassen während des p olaren Winters werden die
für gröÿere Höhen typischen Mischungsverhältnisse in geringere Höhen transp ortiert
und führen dort durch den höheren Luftdruck zu gröÿeren absoluten Konzentrationen.
94
4.9. BrO Konzentrationsprole
0
5
10
15
20
25
30
35
40
−5 0 5 10 15 20 25
Höhe [km]
Mischungsverhältnis [ppt]
[BrO]/[M]
León 96/11/23 Aufstieg
Tropopause
Invertierung
Onion peeling
Abbildung 4.36.: BrO Mischungsverhältnisprol León Ballonaufstieg
0
5
10
15
20
25
30
35
40
−5 0 5 10 15 20 25
Höhe [km]
Mischungsverhältnis [ppt]
[BrO]/[M]
León 96/11/23 Sonnenuntergang
Tropopause
Abbildung 4.37.: BrO Mischungsverhältnisprol León Sonnenuntergang (ohne Berücksichtigung der
Photo chemie längs des Lichtweges)
95
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
0
5
10
15
20
25
30
35
40
−5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Höhe [km]
Konzentration [106 Moleküle/cm3]
[BrO]
Kiruna 97/02/14 Aufstieg
Tropopause
Invertierung
Onion peeling
Abbildung 4.38.: BrO Konzentrationsprol Kiruna Ballonaufstieg
0
5
10
15
20
25
30
35
40
−5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Höhe [km]
Konzentration [106 Moleküle/cm3]
[BrO]
Kiruna 97/02/14 Sonnenuntergang
Tropopause
Abbildung 4.39.: BrO Konzentrationsprol Kiruna Sonnenuntergang (ohne Berücksichtigung der Pho-
to chemie längs des Lichtweges)
96
4.9. BrO Konzentrationsprole
0
5
10
15
20
25
30
35
40
−5 0 5 10 15 20 25
Höhe [km]
Mischungsverhältnis [ppt]
[BrO]/[M]
Kiruna 97/02/14 Aufstieg
Tropopause
Invertierung
Onion peeling
Abbildung 4.40.: BrO Mischungsverhältnisprol Kiruna Ballonaufstieg
0
5
10
15
20
25
30
35
40
−5 0 5 10 15 20 25
Höhe [km]
Mischungsverhältnis [ppt]
[BrO]/[M]
Kiruna 97/02/14 Sonnenuntergang
Tropopause
Abbildung 4.41.: BrO Mischungsverhältnisprol Kiruna Sonnenuntergang (ohne Berücksichtigung der
Photo chemie längs des Lichtweges)
97
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
10
15
20
25
30
35
40
45
50
−2 0 2 4 6 8 10
Höhe [km]
Konzentration [106 Moleküle/cm3]
Tropopause
[BrO]
Gap 97/06/20 Sonnenaufgang
Abbildung 4.42.: BrO Konzentrationsprol Gap Sonnenaufgang (ohne Berücksichtigung der Photo-
chemie längs des Lichtweges
Das Prol (Abb. 4.41) während des Sonnenuntergangs schlieÿt an das Aufstiegs-
prol unterhalb der maximalen Flughöhe mit einem etwas geringeren Wert an und
nimmt dann relativ glatt bis auf einen Wert von ca. 4 ppt b ei den letzten Okkulta-
tionsmessungen ab. Durch die sich während der Beobachtungen ändernde BrO Kon-
zentration (chemical enhancement) zeigt es kein real in der Atmosphäre existierendes
Prol. Bei der Prolb estimmung wird durch das chemical enhancement eine Abnahme
der BrO Konzentration in den höheren Schichten tendentiell eher den neu hinzuge-
kommenen niedrigeren Höhen zugeschrieb en. In der Dissertation von
Harder
[1999]
wird eine Mo dellierung der gemessenen BrO Säulendichten aufgrund eines Chemie-
und Transp ortmo dells vorgenommen.
Die Abbildung 4.42 zeigt das BrO Konzentrationsprol während des Sonnenauf-
gangs. Durch die b eobachteten geringeren BrO Säulendichten (vgl. Abbildung 4.16)
sind die durch die Streuung des Fitko ezienten b edingten inneren Fehlerbalken grö-
ÿer als während der Beobachtung in Kiruna. Im Mischungsverhältnis (Abbildung 4.43)
steigt die b eobachtete BrO Konzentration von zunächst etwa 2 ppt in 22 km Höhe
gleichmäÿig auf etwa 15 ppt in 35 km Höhe an und b ehält diesen Wert b ei.
98
4.9. BrO Konzentrationsprole
10
15
20
25
30
35
40
45
50
−5 0 5 10 15 20 25
Höhe [km]
Mischungsverhältnis [ppt]
Tropopause
[BrO]/[M]
Gap 97/06/20 Sonnenaufgang
Abbildung 4.43.: BrO Mischungsverhältnisprol Gap Sonnenaufgang (ohne Berücksichtigung der Pho-
to chemie längs des Lichtweges)
99
4. Bestimmung der BrO Konzentrationsprole
4.10. BrO Gesamtsäule
Datum Ort Bereich Höhen- Gesamt BrO ob er- Gesamte Bemerkung BrO ob erhalb
Zeit (UT) der SZW b ereich halb Trop opause BrO-VCD Maximalhöhe
[Grad] [km] [10
13
/cm
2
] [10
13
/cm
2
] [ppt]
96/11/23 León 74-86.4 5.1-30.6 2.31
0.45 Aufstieg 14.4
2.5
14:55-16:52 42.6N,5.7W 86.5-93.0 31.0-22.0 Okkultation üb er 31.6 km
64.4 5.2
2.2 GOME Üb erug
97/02/14 Kiruna 82.5-88.8 5.8-28.8 3.99
0.6 Aufstieg 15.5
2.8
12:19-14:49 67.9N,21.1O 88.9-94.1 30.0-13.0 Okkultation üb er 30.0 km
97/02/13 80.6 7.5
2.0 GOME, 13.02.97
97/02/14 80.7 6.5
1.8 Bo denmessung
97/06/20 Gap 90.0-55.9 39.8-31.4 Abstieg 15.3
2.8
3:30-7:42 44.0N,6.1O 94.8-90.0 17.3-39.7 Okkultation üb er 39.6 km
Tab elle 4.1.: Überblick und Vergleich der Ballon BrO Messungen mit b odengestützten Messungen
[
Enel l et. al.
1998] und ERS-2 (GOME) Satellitendaten [
Wagner
1998;
Hegels
1998]
Tab elle 4.10 gibt einen Üb erblick üb er BrO Messungen, die in zeitlicher und räum-
licher Nähe zu den Ballonügen vorgenommen wurden. Auf dem ERS-2 Satelliten
7
b endet sich der DOAS Sp ektrograph Gome [
ESA Publications Division
1995], der
aus einer erdnahen Umlaufbahn Sp ektren aufnimmt. Mit einem Sichtfeld von jeweils
40
960
km
2
senkrecht auf die Erde (Nadir) erstellt er innerhalb von 3 Tagen jeweils
ein ächendeckendes sp ektroskopisches Bild der Erdatmosphäre.
Für den Üb erug des Satelliten üb er León wurde eine BrO Säulendichte von
(5
:
2
2
:
2)
10
13
Moleküle
=
cm
2
b ei einem Sonnenzenitwinkel von
64
:
4
b estimmt. Wie
in Kapitel 4.5 diskutiert, sind die Spurenstosäulen trotz der verschiedenen Sonnen-
zenitwinkel direkt vergleichbar. Die durch die Ballonmessungen während des Aufstieges
b estimmte Säulendichte ist mit
(2
:
31
0
:
45)
10
13
Moleküle
=
cm
2
deutlich kleiner, ent-
hält jedo ch nur Messungen ob erhalb der Trop opause, während die Satellitenmessungen
die BrO Säulendichte der gesamte Atmophäre b estimmt.
Für den Flug von Kiruna stehen zwei Vergleichsmessungen zur Verfügung. Wäh-
rend des Ballonuges in Kiruna b efand sich der Satellit in einer Wartungsphase, am
Tag zuvor wurde ein Wert von
(7
:
5
2
:
0)
10
13
Moleküle
=
cm
2
b estimmt. Am IRF
8
wird je ein b o dengestützter Sp ektrograph für sichtbares und ultraviolettes Zenitstreu-
licht b etrieb en. Eine Beschreibung der Sp ektrographen ndet sich in der Dissertation
von
Otten
[1997]. Die am Tag des Ballonugs b estimmte BrO Säulendichte b eträgt
(6
:
5
1
:
8)
10
13
Moleküle
=
cm
2
. Auch hier ist die durch Ballonmessung ermittelte
BrO Säulendichte ob erhalb der Trop opause mit
(4
:
0
0
:
6)
10
13
Moleküle
=
cm
2
deut-
lich geringer. Die Dierenz der b eobachteten BrO Säulendichten deutet auf eine tro-
p osphärische BrO Säulendichte von
(2
3)
10
13
Moleküle
=
cm
2
entsprechend einem
Mischungsverhältnis von etwa 12 ppt in der Trop osphare hin.
7
ERS Europ ean Research Satelite
8
IRF Institutet för Rymdfysik, Kiruna, Schweden
100
4.11. Bisherige stratosphärische BrO Messungen
4.11. Bisherige stratosphärische BrO Messungen
0 5 10 15 20
0
5
10
15
20
25
30
35
40
UCAMB Model, M.Chipperfield (priv. comm.):
Model (León, SZA=80°,pm)
Model (Kiruna, SZA=90°,pm)
Arctic/Antarctic
Brune et al., 1989
Toohey et al., 1990
Avallone et al., 1995
McKinney et al., 1997
Pundt, 1997
MidLatitudes
Brune et al.,1988
Toohey et al.,1990
Avallone et al.,1995
TpLeon
Kiru a
Tp n
TotalBryWamsleyetal.,1998
PresentStudy:
León, Nov. 96
Kiruna, Feb. 97
Gap, July 97
Height[km]
MixingRatio[ppt]
TotalBrySchauffleretal.,1998
Abbildung 4.44.: Vergleich bisher publizierter stratosphärischer BrO Messungen
Abbildung 4.44 gibt einen Üb erblick üb er die bis 1998 publizierten stratosphäri-
schen BrO Messungen. Eine ob ere Grenze für das erwartete BrO Mischungsverhältnis
wird durch die gaschromatographisch ermittelten Konzentrationen der Quellgase für
Brom (Br
y
) in der Trop osphäre gegeb en. Der Wert von
17
:
4
0
:
9
ppt [
Schauer et al.
1998] b eruht auf Messungen in der tropischen Trop opause, der durch
Butler et al.
[1998]
angegeb ene Wert auf Messungen durch ein globales trop osphärisches Meÿnetzwerk. Die
Unterschiede in den b estimmten BrO Mischungsverhältnissen sind zum Teil auf die ver-
schiedenen Beobachtungssituationen zurückzuführen. In Anb etracht des b ereits durch
den Einuÿ einer verschiedenen Trop opausenhöhe b edingten Unterschiedes zwischen
den Flügen von León und Gap zeigt sich jedo ch eine insgesamt gute Üb ereinstimmung.
Die in dieser Arb eit vorgestellten Mischungsverhältnisse sind durch ausgefüllte Sym-
b ole gekennzeichnet. Die Simulationen von
Chippereld, priv. comm.
zeigen jeweils für
einen festen Sonnenzenitwinkel von
80
und
90
die für León und Kiruna mo dellierten
Mischungsverhältnisse.
101
5. Diskussion und Ausblick
Stratosphärische DOAS Messungen zur Bestimmung des Konzentrationsprols von
Bromoxid stellen hohe Anforderungen an die optischen und elektronischen Eigenschaf-
ten der eingesetzten Sp ektrographen. Mit dem Balloninstrument wurde am Institut
für Umweltphysik in Heidelb erg und am Max-Planck Institut für Chemie in Mainz
ein sp eziell auf stratosphärische Messungen abgestimmter Sp ektrograph entworfen und
gebaut.
Durch die Temp eraturstabilisierung von Optik und Photo dio denzeile, der evaku-
ierten Optik innerhalb des Sp ektrographen und der Verwendung eines Sonnenfolgers
zur Lichteinkopp elung stellt das Instrument einen wesentlichen Fortschritt gegenüb er
bisher in der Stratosphäre eingesetzten SAOZ Sp ektrographen dar. In mittlerweile fünf
allesamt erfolgreichen Flügen mit Stratosphärenballons mit einem Volumen von bis zu
400 000 m
3
hat das Instrument seine Zuverlässigkeit und die Qualität der optischen
Abbildung unter Beweis gestellt.
In dieser Arb eit wurden Bromoxid Konzentrationsprole für die ersten drei Flüge
b estimmt. Die b eobachteten Mischungsverhältnisse sind im Einklang mit der durch die
Quellgase in die Stratosphäre transp ortierten Konzentration des gesamten Broms. Die
b ei unterschiedlichen geophysikalischen Bedingungen vorgenommenen Meÿüge erlau-
b en eine Validierung der Chemiemo delle für die stratosphärische Bromchemie. Aus
der Dierenz von b o dengestützten und satellitengestützten Messungen der gesamten
vertikalen Bromoxidsäule zu den mit dem Balloninstrument b estimmten vertikalen Bro-
moxidsäule ob erhalb der Trop opause kann auf eine trop osphärische Bromkonzentration
von etwa 12 ppt geschlossen werden.
Mit der hier erstmals auf die Interpretation von DOAS Sp ektren angewandten
Metho de der Hauptkomp onentenanalyse ist ein Instrument zur Verb esserung der DOAS
Auswertung vorgestellt worden. Diese Metho de wird dazu b eitragen, die Nachweis-
grenze der DOAS zu verb essern und erlaubt, auch verdeckte Zusammenhänge innerhalb
der Sp ektren zu nden.
Das wissenschaftliche Interesse wird sich in den nächsten Jahren zunehmend auf
die Bromchemie der unteren Stratosphäre und den Nachweis von Jo doxid richten.
Zum einen gilt die Chemie der ob eren Stratosphäre während des Tages inzwischen als
weitgehend verstanden und die Bromoxidkonzentration läÿt sich gut mo dellieren. Die
Mo dellierung der hier in dieser Arb eit vorgestellten BrO Säulendichten erfolgt in der
Dissertation von
Harder
[1999], ihr soll hier nur insoweit vorgegrien werden, daÿ die
gemessenen BrO Säulendichten des León Fluges mit einer Genauigkeit von etwa 5%
durch das Chemie- und Transp ortmo dell repro duziert werden können.
Zum anderen ist der Anteil des durch Brom katalysierten Ozonabbaus am gesamten
Ozonabbau in der unteren Stratosphäre b esonders groÿ und die Freisetzung von Brom
aus den Quellgasen kann untersucht werden. Bei dem no ch vergleichsweise hohen Luft-
102
druck in der unteren Stratosphäre hat zudem die zweite Meÿmetho de für Bromoxid,
die Resonanzuoreszenz, Probleme mit der Nachweisgrenze, so daÿ zur Zeit hier nur
üb er die Meÿmetho de DOAS verläÿliche Meÿwerte ermittelt werden können.
Mit vergleichsweise geringen Änderungen kann das Balloninstrument zur Bestim-
mung der Photo chemie in niedrigen Höhen einen Beitrag liefern. Während des Bal-
lonaufstieges o der -abstieges kann in der bisherigen Konguration jeweils nur ein Kon-
zentrationsprol gewonnen werden und unter Umständen wurden diese nicht b ei pho-
to chemisch interessanten Sonnenzenitwinkeln aufgenommen. Mit einer eigenen Strahl-
nachführung für den DOAS Sp ektrographen und einer leicht veränderten Lichtein-
kopp elung, die nur einen schmalen horizontalen Streifen der Sonne abbildet, könnte
während der Messungen b ei Sonnenauf- o der -untergang Information üb er die nichtsta-
tionäre Chemie während der Okkultation gewonnen werden. Durch DOAS Sp ektrosko-
pie mit jeweils dem ob eren und unteren Rand der Sonne als Lichtquelle könnte nahezu
der gleiche Lichtweg im zeitlichen Abstand von etwa 4 Minuten vermessen werden. Mit
diesem Beobachtungsmo dus kann durch das Balloninstrument direkt eine Abschätzung
von Reaktionsraten während der Okkultation vorgenommen werden.
Die bisherigen BrO Messungen fanden ausschlieÿlich in mittleren bis hohen Breiten
statt. Eine wichtige, zukünftige Ergänzung zu diesen Messungen wäre die Bestimmung
von BrO in Äquatornähe und insb esondere in den Trop en, da dort ein Groÿteil des
Eintrags der Quellgase in die Stratosphäre stattndet und diese Region dadurch eine
b esondere Bedeutung für die stratosphärische BrO Konzentration hat.
103
A. Anhang
A.1. Diplom- und Doktorarb eiten im Ballonpro jekt
Nadine Bauer (1997), Charakterisierung des DOAS-Ballon-Spektrographen zur Bestimmung stratosphärischer Spu-
renstoe. Diplomarb eit, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelb erg.
Hartmut Osterkamp (1997), Messung von atmosphärischen O
4
-Prolen. Diplomarb eit, Institut für Umweltphysik,
Universität Heidelb erg.
Matthias Schneider (1997), Gleichzeitige, ballongestützte Messungen von O
3
, NO
2
der Photolysefrequenz von NO
2
in
der Stratosphäre. Diplomarb eit, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelb erg.
Paul Vradelis (1998), Verb esserung der Ballon-DOAS-Messungen durch Streulichtunterdrückung und numerische
Untersuchungen des Auswerteprozesses. Diplomarb eit, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelb erg.
Hartwig Harder (1999), Messung und Modellierung stratosphärischer Spurenstoprole zur Abschätzung des anorga-
nischen Gesamt-Brom-Budgets, Dissertation, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelb erg.
Richard Fitzenb erger (in Vorb ereitung), Dissertation, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelb erg.
Hartmut Bösch (in Vorb ereitung), Dissertation, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelb erg.
A.2. Programme
Programm System Beschreibung Author
ballon.exe Dos mit Multitaskingprogramm für das Balloninstrument
Echtzeitkernel H
chopp er Unix Programm der Bo denstation (Abb. 2.12, A.1) V
damf Unix Programm zur Prolb estimmung aus schrägen Säulendichten S, (R, H, F)
mfc.exe Dos Programm zur Sp ektrenaufnahme und Auswertung I
seeall.awk Unix/awk Script zur Anzeige der gesamten Instrumentdaten F
colview.awk Unix/awk Script zur Anzeige einzelner Instrumentdaten F
reststr.awk Unix/awk Script zur Erstellung von Zeitreihen für .std Sp ektren F
to damf.awk Unix/awk Skript zur Konvertierung von mfc (.evl) Ausgab edateien
und Flugdaten zu damf Eingangsdateien F
*.awk diverse awk Skripte zur Konvertierung von Textdateien F
*.gp c diverse gnuplot Skripte für Abbildungen F
pspice.exe Windows
Programm zur Schaltungssimulation
eagle.exe Windows
Schaltungsentwurf und Platinenlayout
p dz.asm Assembler Assemblerco de für PIC16C84 Mikrocontroler (Anhang A.3) F
control Unix Shellscript zum Aufruf der Bodenstationsoftware V
adc Unix Programm zum Auslesen des A/D-Wandlers H
falt2std.exe Dos Programm zur Auösungsanpassung von Spektren O
factor2.sas diverse SAS-Programm zur Faktorenanalyse F
... diverse GPL Software (awk, gcc, gmt, gnuplot, L
A
T
E
X,
linux, o ctave, python, ...) G
Kürzel Author
F Frieder Ferlemann
G Free Software Foundation, General Public License
H Hartwig Harder
I Institut für Umweltphysik Heidelb erg et. al.
O Cornelius Otten
R Richard Fitzenb erger
S Marcus Schulte
V Paul Vradelis
i
A. Anhang
A.3. Assemblerlisting des Mikro controlers für die
Auslesung der Photo dio denzeile
Jan 04 1996 16:05 Page 1 PDZ.asm
1|LIST P=16C84, R=DEC, T=ON;
2|TITLE "PIC16C84 controling photodiode array, integrator and AD-conversion";
3|SUBTITLE "(circuit diagram PDZ.SCH with PIC16C84, ADS7809, ACF2101)"
4|
5|#define Version "PDZ 0.5"
6|#define Hamamatsu
7|
8| ifdef Hamamatsu
9| Messg "assembling for Hamamatsu Photodiodearray"
10| else
11| Messg "assembling for EG&G Photodiodearray RL1024SB"
12| endif
13|
14|#define _Debug
15| ifdef Debug
16| Messg "Debugging: without powerondelay and message"
17| else
18| Messg "with powerondelay and message"
19| endif
20|
21|
22|;**********************************************************************
23|;* Identification 1xxx (EG&G) or 2xxx (Hamamatsu)
24|;**********************************************************************
25|;*
26|;* STATUS Prel
27|;*
28|;**********************************************************************
29|;*
30|;* Author: Frieder Ferlemann 05.07.95
31|;* (c) 1995 Ferlemann, Universitaet Heidelberg
32|;*
33|;**********************************************************************
34|;----------------------------------------------------------------------
35|; functional description:
36|;
37|; After Reset: Controler sends its (8 Byte) identification
38|;
39|; RXD static high: Controler does "idle" clocking to provide minimum clock
40|; frequency
41|; RXD low pulse: Controler reads array and transmits the data
42|; Pulse duration >=5 micros
43|; A continious bitstream of the array data (and
44|; eventually the number of conversion and some leading
45|; and trailing offset values) is clocked out
46|; (Clocking scheme as ADS7809)
47|; Format:
48|; 1 31 1024 32 (word)
49|; Counter Offset PDZReadout Offset
50|; (RXD static low): Controler reads array continiously but does not
51|; transmit the data (thus keeping array charged)
52|; not yet implemented
53|;----------------------------------------------------------------------
54|; Changes:
55|; Version 0.3: 31 instead of 32 Pixel offset readout before
56|; PDZ data.
57|; Version 0.4: Hamamatsu idle timing pulses don’t overlap
58|; inner loop >50us
59|; Version 0.5: Copyright message included, documentation
60|;
61|;
62|;----------------------------------------------------------------------
63|;
64|;’Beliebte’ Fehler:
65|;
66|;CALL mit Argument ausserhalb vom Sprungbereich
67|;
68|;MOVF xx,W W vergessen
69|;
70|;MOVWF statt MOVF und umgekehrt
71|;
72|;ADDWF,SUBWF setzen das Carry Bit, ignorieren es aber daher M-\berlauf-
73|; verwaltung mit INCF oder DECF!
Jan 04 1996 16:05 Page 2 PDZ.asm
74|;
75|;BTFSC STATUS,Z Skip if Clear heisst hier: Skip if Zero Flag nicht gesetzt
76|; das bedeutet Skip if<>0 !!!
77|;
78|;OR mit Bitnummer statt mit der um die Bitnummer geshifteten 1
79|;
80|;Konstante durch Filevariable ersetzt, aber nicht ueberall MOVLW durch MOVFW
81|; ersetzt
82|;
83|;Konstante und Label aehnlich benannt (und dann verwechselt!)
84|;
85|;Carry beim SUBWF ist ein N O T BORROW!
86|;
87|;High und LowByte verwechselt
88|;
89|;MPASM versteht OR und AND nicht, bringt aber u.U. KEINE Meldung!
90|;
91|;LIST P=16C84 R=DEC, T=ON; Komma vergessen, dann wird R=DEC ignoriert!!
92|;
93|;File 7 gibts beim 16C84 nicht!!
94|
95|
96|;
97|;----------------------------------------------------------------------
98|; Files Assignment
99|;----------------------------------------------------------------------
100|;
101|;
102|F0 EQU 0 ;
103|RTCC EQU 1 ;
104|PC EQU 2 ; Program counter
105|STATUS EQU 3 ;
106|FSR EQU 4 ; File Select Register
107|RA EQU 5 ; Port A
108|RB EQU 6 ;
109|Reserved7 EQU 7
110|
111|
112|EEDATA EQU 8
113|EEADR EQU 9
114|PCLATH EQU 10
115|INTCON EQU 11 ;
116|;
117|
118|SaveStatus EQU 15 ;
119|SaveWReg EQU 16 ;
120|;
121|Temp0 EQU 17 ; Temporaer, jede Subroutine darfs veraendern
122|Temp1 EQU 18 ; Temporaer, jede Subroutine darfs veraendern
123|Temp2 EQU 19 ; Temporaer, jede Subroutine darfs veraendern
124|PixHi EQU 20 ; Pixelnummer
125|PixLo EQU 21
126|ReadHi EQU 22 ; wird bei jedem Auslesen incrementiert
127|ReadLo EQU 23
128|
129|;
130|;----------------------------------------------------------------------
131|; Bit Assignments
132|;----------------------------------------------------------------------
133|;
134|;
135|; Port A
136|Phi1 EQU 0
137|Phi2 EQU 1
138|Clear_C EQU 2
139|StartConv EQU 3
140|
141|; Port B
142|PBDir EQU 00010000B ; Default Port B Direktion (0-Ausgang)
143|SerCLK EQU 0 ;
144|SerDATA EQU 1 ;
145|SerCS1 EQU 2 ;
146|RXD EQU 4 ;
Jan 04 1996 16:05 Page 3 PDZ.asm
147|Start EQU 5 ;
148|Red EQU 6 ;
149|Green EQU 7 ;
150|
151|; CPU Intern
152|C EQU 0 ; Carry Bit
153|CARRY EQU 0;
154|Z EQU 2 ; Zero Bit
155|Z_bit EQU 2 ; Zero Bit
156|
157|; Bits im INTCON register:
158|GIE EQU 7 ; Global interrupt enable
159|INTE EQU 4 ; INTF interrupt enable (Port B, 0)
160|RBIE EQU 3 ; RTIF interrupt enable (Port B change)
161|RTIF EQU 2 ; RTCC overflow flag
162|INTF EQU 1 ; INT Flag
163|RBIF EQU 0 ; RTIF Port B change Flag)
164|;
165|
166|
167|; ---------------------------------------------------------------------
168|;
169|NOP2 MACRO ; Wie NOP aber braucht 2 Zyklen
170| GOTO $+1;
171| ENDM
172|
173|
174|; ---------------------------------------------------------------------
175|;
176| ORG 0x000 ; Reset Vektor PIC16C84
177|
178|Reset:
179| GOTO KaltStart
180| GOTO KaltStart
181| GOTO KaltStart
182| GOTO KaltStart
183| ;
184|; ---------------------------------------------------------------------
185|;
186| ORG 0x004 ; Interrupt vector (5# Delay fuer Aufruf)
187|
188|Interrupt:
189| movwf SaveWReg
190| swapf STATUS,W ; affects no STATUS bits: Only way OUT
191| ; to save STATUS Reg?
192| movwf SaveStatus
193| ;
194| BTFSC RB,RXD
195| GOTO IntEnde ; Auslesen nur bei fallender Flanke!
196| ;
197| BSF RB,Red ; Beim Auslesen wirds rot
198| BCF RB,Green ; Beim Auslesen wirds rot
199| ;
200| INCF ReadLo ; Auslesezaehler erhoehen
201| BTFSC STATUS,Z
202| INCF ReadHi
203| ;
204| MOVFW ReadLo ; send number of conversion (for debugging)
205| MOVWF Temp1
206| MOVFW ReadHi
207| MOVWF Temp0
208| CALL SchiebeOut ;
209| ;
210|
211| ;
212| ; Allow the ADConverter to control RS422 lines:
213| MOVLW PBDir|(1<<SerDATA)|(1<<SerCLK); Port B Dir (0-Ausgang)
214| TRIS RB
215| ;
216|
217| MOVLW 11111010B ; Phi1 /Phi2
218| ; 00000001b Phi1 Video Output nach Phi1 high
219| ; (Start nur bei Phi1 low)
Jan 04 1996 16:05 Page 4 PDZ.asm
220| ; 00000010b Phi2 immer invers zu Phi1
221| ; 00000100b Clear_C ACF2101: low closes switch
222| ; 00001000b StartConv ADS7809: low starts conversion
223| MOVWF RA
224| ;
225| movlw 01
226| movwf PixHi
227| movlw 31 ; xx Pixel Offset auslesen
228| movwf PixLo
229|
230| ifdef Hamamatsu
231| Call ReadPixelsHamamatsu ; Offset Readout
232| BCF RA,Phi1
233| BSF RA,Phi2
234| BSF RB,Start ; Start Signal for PDZ
235| NOP ; Neu ab V0.4
236| BCF RA,Phi2
237| BSF RA,Phi1
238| BCF RB,Start
239| else
240| Call ReadPixelsEG ; Offset Readout
241| BSF RB,Start ; Start Signal for PDZ
242| BCF RB,Start
243| endif
244| ;
245|
246| movlw 04
247| movwf PixHi
248| movlw 00
249| movwf PixLo
250|
251| ifdef Hamamatsu
252| Call ReadPixelsHamamatsu ; Array Readout
253| else
254| Call ReadPixelsEG ; Array Readout
255| endif
256| ;
257| movlw 01
258| movwf PixHi
259| movlw 32
260| movwf PixLo
261| ifdef Hamamatsu
262| Call ReadPixelsHamamatsu ; Offset Readout
263| else
264| Call ReadPixelsEG ; Offset Readout
265| endif
266| ;
267| MOVLW PBDir ; Port B Dir (0-Ausgang)
268| TRIS RB
269| ;
270|IntEnde:
271| BCF INTCON,RBIF ; Interruptflag zuruecksetzen
272| swapf SaveStatus,W
273| movwf STATUS ; restore STATUS Reg
274| swapf SaveWReg ; save WREG
275| swapf SaveWReg,W ; restore WREG
276| RETFIE ; und wieder zurueck
277| ;
278|
279| GOTO KaltStart
280|
281| DE Version
282| ifdef Hamamatsu
283| DE "H"
284| else
285| DE "E"
286| endif
287|
288|; ---------------------------------------------------------------------
289|;
290|ReadPixelsHamamatsu: ; Converts pixels (count in PixHi PixLo)
291| ; (if Start was not given or was given more
292| ; then 1024 pixels ago it reads Offset only)
ii
A.3. Mikro controler für die Auslesung der Photo dio denzeile
Jan 04 1996 16:05 Page 5 PDZ.asm
293| ; (if IOPort B overrides ADOutput the array
294| ; is reset without data being send via RS422)
295|; Timing:
296|; Phi1 --_________________________________--------------------
297|; Phi2 ______-----------------------__________________________
298|; Convert ---------------------------------_---------------------
299|; Clear_C _____---------------------------------------___________
300|; SerCS1(*) ---------------------------------------------_---------
301|;
302|;
303|; (*) for debugging purposes only
304|
305|LoopE1H: NOP2 ; 1st loop entry point compensating time lag
306| ; nop ??
307|LoopE2H:
308|
309| MOVLW 11111100B ; Phi1,Phi2 low, integrating now
310| ; (integrating over both clock transitions)
311| MOVWF RA
312| MOVLW 11111110B ; Phi2 high, integrating
313| MOVWF RA ; this is defined as 0M-5s, video Output starts
314| CLRWDT
315| MOVLW 8
316| CALL Waitus
317| MOVLW 11111100B ; Phi2 low again, still integrating
318| MOVWF RA
319| NOP2 ; Allow the clocking glitch to be integrated
320| NOP2
321| NOP2
322| MOVLW 11110100B ; Phi1,Phi2 low, conversion puls low
323| MOVWF RA
324| MOVLW 11111101B ; Phi1 high, conversion puls high
325| MOVWF RA
326| MOVLW 3
327| CALL Waitus ; wait until conversion is done
328| MOVLW 11111001B ; decharging integration capacitor now
329| MOVWF RA
330| MOVLW 8
331| CALL Waitus
332| NOP2
333| NOP2
334| ;
335| BCF RB,SerCS1 ; Load Pulse
336| BSF RB,SerCS1 ;
337| ;
338| DECFSZ PixLo;
339| GOTO LoopE1H ;
340| DECFSZ PixHi;
341| GOTO LoopE2H ;
342| RETLW 0;
343| GOTO KaltStart
344| ;
345|
346|
347|; ---------------------------------------------------------------------
348|;
349|ReadPixelsEG: ; Converts pixels (count in PixHi PixLo)
350| ; (if Start was not given or was given more
351| ; then 1024 pixels ago it reads Offset only)
352| ; (if IOPort B overrides ADOutput the array
353| ; is reset without data being send via RS422)
354|; Timing:
355|; Phi1 ______------------------------_________________________
356|; Phi2 ------________________________-------------------------
357|; Convert ---------------------------------_---------------------
358|; Clear_C _____--------------------------------------____________
359|; SerCS1(*) ---------------------------------------------_---------
360|;
361|;
362|; (*) for debugging purposes only
363|
364|LoopE1: NOP2 ; 1st loop entry point compensating time lag
365| ; nop ??
Jan 04 1996 16:05 Page 6 PDZ.asm
366|LoopE2:
367|
368| MOVLW 11111110B ; Clock low, integrating now
369| ; (integrating over both clock transitions)
370| MOVWF RA
371| MOVLW 11111101B ; Clock high, integrating
372| MOVWF RA ; this is defined as 0M-5s, video Output starts
373| CLRWDT
374| MOVLW 8
375| CALL Waitus
376| MOVLW 11111110B ; Clock low, still integrating
377| MOVWF RA
378| NOP2 ; Allow the clocking glitch to be integrated
379| NOP2
380| NOP2
381| MOVLW 11110110B ; Clock low, conversion puls low
382| MOVWF RA
383| MOVLW 11111110B ; conversion puls high
384| MOVWF RA
385| MOVLW 3
386| CALL Waitus ; wait until conversion is done
387| MOVLW 11111010B ; decharging integration capacitor now
388| MOVWF RA
389| MOVLW 8
390| CALL Waitus
391| NOP2
392| NOP2
393| ;
394| BCF RB,SerCS1 ; Load Pulse
395| BSF RB,SerCS1 ;
396| ;
397| DECFSZ PixLo;
398| GOTO LoopE1 ;
399| DECFSZ PixHi;
400| GOTO LoopE2 ;
401| RETLW 0;
402| ;
403| GOTO KaltStart
404|
405|
406|
407|; ---------------------------------------------------------------------
408|;
409|Waitus ; (>=3M-5s!) Wartet die Anzahl M-5s, die im
410| ; W Register uebergeben wurde
411| ; bei 20MHz clock!
412| ; Aufruf z.B.: MOVELW 10, CALL WaitUs
413| MOVWF Temp0 ;4
414| DECF Temp0 ;5
415| DECF Temp0 ;6
416| NOP2 ;8
417| NOP ;9
418|WaitusLoop
419| NOP2 ;10 + n*5
420| DECFSZ Temp0 ;12
421| GOTO WaitusLoop; ;14
422| RETLW 0; ;15+N*5
423| ;
424|
425| GOTO KaltStart
426|; ---------------------------------------------------------------------
427|;
428|WaitX: ; Wartet
429| ; Aufruf z.B.: MOVELW 10, CALL WaitUs
430|WaitXLoop
431| ADDLW 0xFF
432| BTFSS STATUS,Z
433| GOTO WaitXLoop
434| RETLW 0;
435| ;
436|
437|
438| GOTO KaltStart
Jan 04 1996 16:05 Page 7 PDZ.asm
439|; ---------------------------------------------------------------------
440|;
441|SchiebeOut ; Interface zu zwei kaskadierten 74HC595 o.ae.
442| ; verwendet Temp0,1 als 16 Bit input
443| ; kommen damit zurecht.
444| ; Data -___---___.......
445| ; Clk __-__-__-________
446| ; Load -------------_---
447| ; MSB first
448| ; DACs werden parallel zu den kaskadierten ’595ern angeschl.
449| MOVLW 16 ; 16 Bit
450| MOVWF Temp2
451| BCF RB,SerCLK ; CLK Low
452|BitSchleife ; BitSchieben
453| BCF STATUS,C ;
454| RLF Temp1 ;
455| RLF Temp0 ; Nun ist jetziges MSB Bit im Carry
456| BTFSC STATUS,C ;
457| BSF Temp1,0 ; Macht ein ROL, damit Temp0,1 nach 16xSchieben
458| ; die gleichen Werte wie vorher haben
459| BTFSC STATUS,C ; DataBit
460| BSF RB,SerDATA ;
461| BTFSS STATUS,C
462| BCF RB,SerDATA ;
463| BSF RB,SerCLK ; Clk Pulse
464| BCF RB,SerCLK ;
465| DECFSZ Temp2
466| GOTO BitSchleife
467| BSF RB,SerCS1 ; So gibts immer nen Puls mit Up & Down Flanke
468| BCF RB,SerCS1 ; Load Pulse
469| BSF RB,SerCS1 ;
470| BCF RB,SerDATA ; mit definiertem Pegel verlassen
471| RETLW 0;
472| ;
473|
474|;----------------------------------------------------------------------
475|;----------------------------------------------------------------------
476|; programmstart
477|;----------------------------------------------------------------------
478|;----------------------------------------------------------------------
479|
480|
481|KaltStart:
482|
483|
484| MOVLW 11111010B ; Port A Phi1 low
485| MOVWF RA
486| MOVLW 11011100B ; Port B (Data&Clock&Start low)
487| MOVWF RB
488| ;
489| MOVLW 00000000B ; Port A Dir (0-Ausgang)
490| TRIS RA
491| MOVLW PBDir ; Port B Dir (0-Ausgang)
492| TRIS RB
493| ;
494| CLRF ReadLo
495| CLRF ReadHi
496| ;
497|
498|
499| ifdef Debug ; falls Debug definiert ist, keine
500| ; Warteschleife&Meldung
501| GOTO WarmStart
502| else
503| NOP2
504| endif
505|
506|Warte: ; Zeitschleife nach dem Einschalten
507| MOVLW 24 ; LED Funktionskontrolle & verhindert,
508| ; dass die Einschaltmeldung mehrfach
509| ; gesendet wird.
510| MOVWF Temp0
511|BL0:
Jan 04 1996 16:05 Page 8 PDZ.asm
512| DECFSZ Temp2;
513| GOTO BL0 ;
514| CLRWDT ; Calm Watchdog
515| DECFSZ Temp1;
516| GOTO BL0 ;
517|
518| BCF RB,Red ; LED blinkt
519| BTFSC Temp0,1
520| BSF RB,Red
521|
522| DECFSZ Temp0;
523| GOTO BL0 ;
524| ;
525| BCF RB,Red ; LED aus
526| BSF RB,Green ;
527|
528|Melde MOVLW ’P’ ; send identifikation
529| MOVWF Temp0
530| MOVLW ’D’
531| MOVWF Temp1
532| CALL SchiebeOut
533| MOVLW ’Z’
534| MOVWF Temp0
535| MOVLW ’ ’
536| MOVWF Temp1
537| CALL SchiebeOut
538| MOVLW ’0’
539| MOVWF Temp0
540| MOVLW ’.’
541| MOVWF Temp1
542| CALL SchiebeOut
543| MOVLW ’5’
544| MOVWF Temp0
545|
546| ifdef Hamamatsu
547| MOVLW ’H’ ; E fuer EG&G, H fuer Hamamatsu
548| else
549| MOVLW ’E’ ; E fuer EG&G, H fuer Hamamatsu
550| endif
551|
552| MOVWF Temp1
553| CALL SchiebeOut
554|
555| MOVLW ’ ’
556| MOVWF Temp0
557| MOVLW ’(’
558| MOVWF Temp1
559| CALL SchiebeOut
560| MOVLW ’c’
561| MOVWF Temp0
562| MOVLW ’)’
563| MOVWF Temp1
564| CALL SchiebeOut
565| MOVLW ’ ’
566| MOVWF Temp0
567| MOVLW ’1’
568| MOVWF Temp1
569| CALL SchiebeOut
570| MOVLW ’9’
571| MOVWF Temp0
572| MOVLW ’9’
573| MOVWF Temp1
574| CALL SchiebeOut
575| MOVLW ’5’
576| MOVWF Temp0
577| MOVLW ’ ’
578| MOVWF Temp1
579| CALL SchiebeOut
580| MOVLW ’F’
581| MOVWF Temp0
582| MOVLW ’e’
583| MOVWF Temp1
584| CALL SchiebeOut
iii
A. Anhang
Jan 04 1996 16:05 Page 9 PDZ.asm
585| MOVLW ’r’
586| MOVWF Temp0
587| MOVLW ’l’
588| MOVWF Temp1
589| CALL SchiebeOut
590| MOVLW ’e’
591| MOVWF Temp0
592| MOVLW ’m’
593| MOVWF Temp1
594| CALL SchiebeOut
595| MOVLW ’a’
596| MOVWF Temp0
597| MOVLW ’n’
598| MOVWF Temp1
599| CALL SchiebeOut
600| MOVLW ’n’
601| MOVWF Temp0
602| MOVLW ’ ’
603| MOVWF Temp1
604| CALL SchiebeOut
605| ;
606| BCF INTCON,RBIF ; Interruptflag zuruecksetzen
607| ;
608|
609|;----------------------------------------------------------------------
610|; WarmStart
611|; Radiation/ESD harded software: device will reinitialize each used bit!
612|; So no matter, which bit may have been altered, device works fine later.
613|;
614|WarmStart: CLRWDT ; WarmStart Calm Watchdog
615| MOVLW 10000000B
616| ; X0000000b /RBPU (changes maximum input low level!)
617| ; 0X000000b IntEdg (device might miss interrupts!!)
618| ; 00X00000b RTS (RTCC Source: 0 intern, 1 extern)
619| ; 000X0000b RTE (RTCC Edge: 0 rising, 1 falling)
620| ; 0000X000b PSA (Prescaler: 0 RTCC, 1 WDT)
621| ; 00000XXXb PS0..2 Prescaler Value
622| OPTION
623|
624| MOVLW 00000000B ; Port A Dir (0-Ausgang)
625| TRIS RA
626| MOVLW PBDir ; Port B Dir (0-Ausgang)
627| TRIS RB
628| ;
629| BCF RB,SerDATA ; This is the default of ADS7809
630| BCF RB,SerCLK ; "
631| ;
632| BTFSC RB,RXD ; Red LED follows /RXD Input
633| BCF RB,Red ; test if cable broken/unconnected
634| BTFSS RB,RXD
635| BSF RB,Red
636| ;
637| BSF RB,Green ; Green on
638| ;
639| MOVLW (1<<GIE)|(1<<RBIE); ??
640| MOVWF INTCON
641| ;
642| ifdef Hamamatsu
643| BCF RA,Phi1 ; No overlapping pulses, Phi1 is right here!
644| else
645| NOP
646| endif
647| MOVLW 11111010B ; Phi1 /Phi2
648| ; 00000001b Phi1 Video Output nach Phi1 high
649| ; (Start nur bei Phi1 low)
650| ; 00000010b Phi2 immer invers zu Phi1
651| ; 00000100b Clear_C ACF2101: low closes switch
652| ; 00001000b StartConv ADS7809: low starts conversion
653| MOVWF RA
654| NOP2
655| MOVLW 24 ; 23
656| CALL Waitus
657| ;
Jan 04 1996 16:05 Page 10 PDZ.asm
658| ifdef Hamamatsu
659| BCF RA,Phi2
660| else
661| NOP
662| endif
663| MOVLW 11111001B ; Phi1 /Phi2
664| MOVWF RA
665| ; NOP2
666| MOVLW 20 ; 20
667| CALL Waitus
668| NOP2
669| NOP2
670|
671| GOTO WarmStart ;
672|
673| ;
674| FILL (GOTO KaltStart),(0x0400-$) ; safety first!
675| ;
676|
677|;----------------------------------------------------------------------
678|; ID
679|;
680| ORG 0x2000 ; ID-Lokations set upper 7 Bit to ’0’s
681| ifdef Hamamatsu
682| DATA 0x0002
683| else
684| DATA 0x0001
685| endif
686| DATA 0x0000
687| DATA 0x0000
688| DATA 0x0005
689|;----------------------------------------------------------------------
690|; Fuses
691|;
692| ORG 0x2007
693| DATA 0xFEE
694|
695| END
696|;----------------------------------------------------------------------
Assemblerlistung für das Programm des im Integrator (Abbildung A.4) eingesetzten
Mikro controlers PIC 16C84 [
Microchip
1994a;
Microchip
1994b]. Der Mikro controler erzeugt
die Start- und Taktimpulse
1
,
2
und
st
für die Photo dio denzeile (Abb. 2.5) auf der Vor-
verstärkerplatine (Abb. A.2, Abb. 2.7), setzt den Integrationskondensator zurück, b estimmt
das Integrationsfenster und startet die Analog-/Digitalwandlung. Bei einer Taktfrequenz von
10 MHz arb eitet der Mikro controler das Programm mit
2
:
5
10
6
Instruktionen pro Sekunde ab,
Ausnahmen hierfür bilden lediglich Sprunganweisungen und b edingte Sprunganweisungen, die
jeweils 800 ns Ausführungszeit b enötigen. Anschluÿkompatib el zum PIC 16C84 stehen Mikro-
controler mit bis zu
50
10
6
Instruktionen pro Sekunde [
Scenix Semiconductor Inc.
1998]
zur Verfügung, so daÿ eine Verkürzung der Auslesungszeit mit nur geringen Änderungen am
Assemblerquellco de möglich ist. Für die entwickelte Elektronik b egrenzend ist hier nicht das
durch eine erweiterte Bandbreite eingeführte gröÿere Rauschen (vgl. Tab. 2.2), sondern die
Wandlungsfrequenz von 100 kHz des eingesetzten 16 Bit Analog-/Digitalwandlers mit niedri-
ger Verlustleistung.
Da zum Zeitpunkt des Entwurfes die p eltiergekühlte Hamamatsu Photo dio denzeile no ch
nicht verfügbar war, wurde das Programm des Mikro controlers und Schaltplan des Integrators
auch für den Betrieb mit der EG&G Photo dio denzeile RL1024SB ausgelegt. Durch Rücksetzen
des
conditional denes
in Zeile 6 des Assemblerlistings kann der Mikro controler zur Ansteue-
rung einer EG&G Photo dio denzeile [
EG
&
G Reticon
1991] mit einer Vorverstärkerplatine nach
Stutz
[1991] programmiert werden. Dieser Betriebsmo dus ist bisher nicht getestet.
iv
A.4. Schaltbilder
Abbildung A.1.: Bildschirmdarstellung des Kontrollrechners mit dem Programm Chopper
[
Vradelis
1998]
Erste Reihe (von links): Fenster für den Aufruf von Chopp er, Fenster für den Telecommandkanal,
Fenster für die Bestätigung des Telecommandkanals.
Zweite Reihe: Fenster für die abgesp eicherten Dateien, Statusfenster.
Dritte Reihe: Fenster mit Temp eraturdaten, Fenster mit Daten für die Regelung der Photodio denzei-
lentemp eratur, Fenster zur Üb erwachung der Versorgungsspannungen und des Pump enstroms, Fenster
mit den Daten des Analog-/Digitalwandlers des Instrument-PC.
Vierte Reihe: Fenster für Fehlermeldungen, Fenster mit Programm xephem zur Berechnung von
Sonnenzenitwinkeln, Statusfenster des Kontrollrechners (Prozessorlast, Hauptsp eicherbelegung, Inter-
rupts)
A.4. Schaltbilder
v
A. Anhang
Abbildung A.2.: Schaltbild Vorverstärker der Photo dio denzeile
IC I 1 erzeugt die Referenzspannung für die Photo dio denresetspannung (hier mit REF +2.5 V statt REF +2 V aus-
gewiesen), die Puerung durch (bei Schwingneigung zweifach ausgeführten) Kondensators C 2 muÿ in der Nähe der
Op erationsverstärker erfolgen. Der für die Dämpfung des niederfrequenten Rauschens der Referenzspannung eingesetzte
Kondensator C1 von 100 nF sollte durch einen Tantalkondensator von
10
F ersetzt werden. Widerstandsnetzwerke RS 1
und RP 1 und die Kondensatoren C 3, C 4, C 13 bilden einen Eingangsschutz für die Photodio denzeile PDZ1 (Abb. 2.5)
und b egrenzen (mit R 15, R 16, R 26 von Anhang A.4) die Steilheit der Takte
1
,
2
und
st
. R 5 und R 6 b egrenzen die
für die Auslesung notwendige Anstiegsgeschwindigkeit der Op erationsverstärker (=Steilheit der steigenden Flanke der
Ausleseimpulse). R 9 und R 14 passen die Eingangsimp edanzen für die invertierenden und nichtinvertierenden Eingänge
der Op erationsverstärkers I 2 und I 3 an. Die Kondensatoren C 9 und C 12, die die Ladung der Photo dioden üb ernehmen,
sind als Glaskondensatoren ausgeführt, R 10 und R 15 legen die Zeitkonstante für die fallende Flanke des Ausleseimpul-
ses fest. R 7, C 7, R 8, C 8, R 12, C 10, R 13 und C 11 bilden eine separate Entkopp elung der Spannungsversorgungen für
die Op erationsverstärker. R11 und R16 entkopp eln die Op erationsverstärker von der kapazitiven Last der Ausgangs-
leitungen, verringern Einkopp elungen durch
e
lektro
m
agnetische
I
nterferenz und schützen die Operationsverstärker vor
elektrostatischen Entladungen. Eine Simulation des Auslesevorgangs anhand eines vereinfachten Mo dells (Abb. 2.7)
zeigt Abbildung 2.8.
vi
A.4. Schaltbilder
Abbildung A.3.: Schaltbild Integrator Teil 1
Die Beschaltung um I 1A bildet einen Dierenzverstärker für das
Video und Dummysignal, I 2 ist der Integrator (Prinzipschalt-
bild von Kanal A rechts), I 3 der Spannungsregler für die ana-
loge Versorgungsspannung, I 1B invertiert das integrierte Signal und
addiert einen Oset für die Auslesung (Abb. 2.9 und 2.10), damit
die Ausgangsspannung (ADCIN) für den nachfolgenden Analog-
/Digitalwandler stets p ositiv bleibt.
ACF 2101 Prinzipschaltbild
vii
A. Anhang
Abbildung A.4.: Schaltbild Integrator Teil 2
IC I 4 ist für den Reset nach Einschalten o der zu geringer Versorgungsspannung zuständing, der
Mikro controler I 5 (Programm in Anhang A.3) übernimmt den Ablauf des Auslesevorgangs, das IC
I 6 ist ein 16 Bit Analog-/Digitalwandler, das IC I 7 ist ein dierentieller Ausgangstreib er für RS 422
Pegel und der Spannungsregler I 10 vermindert die Verlustleistung auf der Vorverstärkerplatine.
viii
A.4. Schaltbilder
Abbildung A.5.: Schaltbild PDZ-Controler (MC 68332 Einplatinenrechner)
Stecker ST 1 stellt die Multifunktionsp orts TP 0..3 des MC 68332 Controlers gepuert zur Verfügung, ST 2 ist ein
Anschluÿ für Timer 2 des MC 68332 zu Frequenz- o der Zeitmessungen (z. B. für Lichtsensor Abb. A.14), ST 3 ist der
Stecker zum Integrator (Abb. A.3 und A.4) mit Ausgängen für das Startsignal der Auslesung und für den Peltierstrom
sowie Eingängen für den getakteten Datenstrom und den NTC-Widerstand der Photo dio denzeile, ST 5/I 3 ist ein 8-Bit
Ausgangsp ort (z. B. für Relaisplatinen nach Abb. A.6), ST 6/I 4 ist ein 8-Bit Eingangsp ort, ST 7/I 7 ist der Anschluÿ
für den 11-Kanal 12 Bit Analog-/Digitalwandler (Belegung nach Tab elle 2.3), ST 8 ist die rückseitige Steckerleiste (vgl.
Abb. A.16), ST 9/I 5 führt einen 2-Kanal 12Bit Digital-/Analogwandler zum Peltierstromtreib er (Abb. A.9), ST 10 ist der
Anschluÿ für die RS 232 Schnittstelle zum Instrument-PC, W 1 ist ein scheckkartengroÿes Mo dul mit 16/32 Bit Controler
MC 68332. Ram und Eprom des Moduls (Fa. Würz) sind jeweils 16-Bit weit ausgeführt. Durch die Steckbrücken J 7/J 8
wird der Betriebsmo dus nach dem Einschalten festgelegt.
ix
A. Anhang
Abbildung A.6.: Schaltbild Relais
Die Schaltung ist für den Anschluÿ an nach dem Einschalten (bzw. Reset) auf Massep otential liegenden Ausgängen mit
CMOS Ausgangsp egeln ausgelegt (z. B. 74HC273). Für den Betrieb an einem Standard Druckeranschluÿ eines PC o der
ähnlicher Hardware und einen (relativ) denierten Zustand nach Einschalten sollte die Verwendung eines 74HCT541
(nicht invertierender Achtfachtreib er mit TTL Eingangspegeln) statt des 74HC540 (invertierender Achtfachtreib er mit
CMOS Eingangsp egeln) geprüft werden. Gleichzeitig sollte dann der Defaulteingangsp egel durch Anbindung von R 10
und R 20 an VCC statt an Masse auf High gelegt werden. Üb er J 4 wird die Zuordnung der Portbits zu den jeweiligen
Relais festgelegt, dadurch ist der Anschluÿ von bis zu vier Relaisplatinen an ein gemeinsames Flachbandkabel möglich.
Die (Reed-)Relais sind für einen Ein-/Dauer-/Abschaltstrom von max. 8.0/3.0/3.0 A sp eziziert und durch eine Schutz-
gasatmosphäre für die Schaltkontakte für den Betrieb unter niedrigem Druck geeignet. Die Schaltung um IC MAX 471
dient im Balloninstrument zur Strommessung der Kühlmittelpump e, ist jedoch nur als nachträglicher Patch ausgeführt,
hier sollte ein Dauerstrom von 1 A nicht üb erschritten werden, (höhere Ströme sind mit IC MAX 470 üb er einen exter-
nen Shunt Widerstand möglich). Wird b ei dem nachträglichen Patch ein Widerstand von
1
::
10
k
parallel zur Sicherung
geschaltet, ergibt sich eine Fuse-blow information ohne die Sicherungsfunktion zu b eeinträchtigen.
x
A.4. Schaltbilder
Abbildung A.7.: Bauteilplazierung der Relaisplatine
Abbildung A.8.: Bauteilplazierung der Leistungstreib erplatine für die Peltierelemente. Die Markierun-
gen für die negative Seite der Dio den sind in dieser Abbildung vertauscht.
xi
A. Anhang
Abbildung A.9.: Schaltbild Leistungstreiber für die Peltierelemente
Für die Ansteuerung der Peltierelemente für die Photo dio denzeilen werden nur zwei der vier Kanäle
b enötigt, zwei weitere stehen zur Temp eraturstabilisierung der Sp ektrographen zur Verfügung. Die
dierentielle Eingangsb eschaltung vermeidet Probleme mit Masseschleifen. Üb er den Vierfachkom-
parator LM 339 sind die Ausgangstreib er jeweils paarweise mit einer Temp eratursicherung und einer
Freigab eschaltung abgesichert. Üb er D 9 und D 10 wird die Temp eratur der Leistungstreib er gemessen.
Die lineare Regelung des Peltierstroms führt zu einer erhöhten Leistungsaufnahme des Temp eraturre-
gelungssystems, die nur zum Teil durch den 3 V Zweig der Stromversorgung (Abb. A.10) komp ensiert
wird. Dies wird jedo ch b ewuÿt in Kauf genommen, um mögliche Störungen durch getaktete Peltier-
ströme in unmittelbarer Nähe der Photo dio denzeile (Abb. A.2 Pelt
+
, Pelt) zu vermeiden.
xii
A.4. Schaltbilder
Abbildung A.10.: Schaltbild Spannungsversorgung des Balloninstrumentes
Diese Schaltung bendet sich in dopp elter Ausführung mit unterschiedlicher Bestückung der spannungsbestimmenden
Widerstände und der Wandlermo dule auf der Spannungsversorgungsplatine. Sie stellt die Versorgungspannungen +12 V,
-12 V für die Analogspannungen, Pump e und Heizwiderstand, +5 V für (vorwiegend) digitale Spannungen und +3 V
für die Peltierströme der Photo dio denzeilen zur Verfügung. Für einen sicheren Betrieb des Instrument-PC wurde die
Versorgungsspannung
V C C
auf 5 V+2% getrimmt. Üb er D 5 wird die Temp eratur der Spannungsversorgung gemessen.
Die Spannungswandler (Vicor Corp.) sind einzeln abgesichert und die Eingangslter entsprechen der von der DLR
(Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrttechnik) vorgeschlagenen Beschaltung für das Stratosphärenugzeug
Strato 2 c. Dio de D 1 bildet einen Verp olungsschutz. Um im Schadensfall die Verlustleistung zu b egrenzen, werden
25 W Spannungswandler verwendet, 50 W Wandler gleicher Bauform sind erhältlich. Die MTBF (
M
ean
T
ime
B
etween
F
ailure mittlere Zeit zwischen Fehlern) der Spannungswandler ist mit
>
10
6
h angegeb en. Die passiven Bauteile (ohne
Sicherungen, Steckverbindungen und Lötstellen) reduzieren die MTBF auf geschätzt
>
10
5
h.
xiii
A. Anhang
Abbildung A.11.: Bauteilplazierung der Spannungsversorgungsplatine des Balloninstrumentes
Die Induktivitäten L 1,2,5,8,9,14-18 sind hier durch Symb ole für Kondensatoren dargestellt, da die
Bauteilbibliothek des Programmes zum Platinenlayout keine passenden Bauformen für diese Indukti-
vitäten enthielt. Die auf dieser Platine eingesetzten Bauteile hab en eine zulässige Betriebstemp eratur
von mindestens
100
C. Die Spannungsversorgungsplatine ist zur Montage auf die Seitenwand eines
19-Zoll Einschub es ausgelegt.
xiv
A.4. Schaltbilder
Abbildung A.12.: Schaltbild des Adapters zum J(NO
2
)-Sensor
Die Schaltung bildet ein Interface von der Analog/Digitalwandlerkarte [
Computer Boards Inc.
1995]
des PC zu zwei J(NO
2
)Sensoren [
Schil ler et al.
1994], einem Druck und mehreren Temp eratur-
sensoren, darüberhinaus können üb er Stecker J 6 zwei Relaisplatinen (Abb. A.6) mit je zwei Relais
angeschlossen werden. Auf der Platine ist wahlweise ein Halbleiterdrucksensor der Firma Sensym
o der Motorola bestückt. Beide Sensoren eignen sich gut zur atmosphärischen Luftdruckmessung,
wegen ihrer relativ hohen Temp eraturdrift jedo ch nicht zur Druckbestimmung in Ballongipfelhöhe
(P
3
10
mBar). Die Spannungsversorgung für die J(NO
2
)Sensoren (o der anderer externer Senso-
ren mit einer Betriebsspannung von
12
V) ist hier abgesichert. Der Schaltplan des auf den Betrieb am
Balloninstrument angepaÿten J(NO
2
) Sensors ndet sich in der Diplomarb eit von
Schneider
[1997].
xv
A. Anhang
Abbildung A.13.: Bauteilplazierung der J(NO
2
)Adapter Platine
xvi
A.4. Schaltbilder
Abbildung A.14.: Schaltbild Lichtsensor (Intensität/Frequenzwandler)
IC 1 gibt eine zur Lichtintensität prop ortionale Frequenz aus. Bei geeigneter Wahl des frequenzb e-
stimmenden Kondensators C 1 und Anschluÿ eines Multimeters mit Frequenzzähler oder eines Laut-
sp echers an J 1-3, J 1-4 läÿt sich der Lichtsensor TSL 220 [
Texas Instruments
1990] gut zur Justage
o der innerhalb eines Regelstrecke verwenden, hohen Anforderungen an Genauigkeit genügt er jedo ch
nicht. Stecker J 1 ist für die direkte Verbindung mit Stecker ST 2 der MC 68332 Einplatinenrechner
(Anhang A.5) o der den Betrieb an einer Versorgungsspannung von VCC = 5 V vorgesehen.
Abbildung A.15.: Bauteilplazierung der Lichtsensorplatine
Die Platine des Lichtsensors ist passend für Teil Nr. 06 1041 der Firma Spindler&Hoyer ausgelegt.
Sie kann so innerhalb des Spindler&Hoyer Mikrobanksystems eingesetzt werden. Bei Bedarf kann die
Platine auf eine Fläche von
10
35
mm
2
reduziert werden.
xvii
A. Anhang
Abbildung A.16.: Rückwandverdrahtung
xviii
A.5. Ozonsonden
A.5. Ozonsonden
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20
−80 −60 −40 −20 0 20
Höhe [km]
O3 Partialdruck [mPa]
Temperatur [°C]
León Ozonsonde 96/11/23 15:53 Ozon
Temperatur
Abbildung A.17.: León Ozonsonde 96/11/23
Abbildung A.17 zeigt die Daten einer während des Ballonuges von León gestarteten Ozon-
sonde. Mit zunehmender Höhe nimmt die gemessene Temp eratur gleichmäÿig von etwa 20
C
bis auf -70
C b ei Erreichen der Trop opause in etwa 12.8 km Höhe ab. Ob erhalb der Trop opause
steigt die Temp eratur erneut auf -45
C in 33 km Höhe an.
Die Ozonkonzentration zeigt in einen deutlichen Anstieg ob erhalb der Trop opause, in etwa
18.5 km Höhe wird erneut eine um etwa 40% geringere Ozonkonzentration b eobachtet. Dies ist
vermutlich auf Mischung mit ozonärmerer Luft aus niedrigerer Höhe zurückzuführen. Ob er-
halb von etwa 25 km nimmt die Ozonkonzentration einen glatten Verlauf.
xix
A. Anhang
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20
−80 −60 −40 −20 0 20
Höhe [km]
O3 Partialdruck [mPa]
Temperatur [°C]
Kiruna Ozonsonden 97/02/14 Ozon 14:32
Temperatur 14:32
Ozon 21:17
Temperatur 21:17
Abbildung A.18.: Kiruna (Esrange) Ozonsonden 97/02/14 um 14:32 UT und 21:17 UT
Die kurz nach dem Balloninstrument gestartete Ozonsonde (Abbildung A.18, durchgezogene
Linie) erreichte mit lediglich 18.2 km nur eine relativ geringe Höhe. Da der Ballonug während
des Europ ean Arctic Stratospheric Ozone Exp eriment (EASOE) stattfand, stehen für diesen
Flug Ozonsondendaten einer zweiten Ozonsonde zur Verfügung. Die Temp eraturen ob erhalb
der Trop opausenhöhe von etwa 9.2 km bis zu einer Höhe von 30 km liegen in einem engen
Temp eraturb ereich von -61
C bis auf -68
C. Die geringe Abweichung der durch b eide Sonden
b estimmten Ozonkonzentration trotz einer zeitlichen Dierenz von mehr als 6 Stunden deutet
auf eine stabile Ozonverteilung in der unteren Stratosphäre.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20
−80 −60 −40 −20 0 20
Höhe [km]
O3 Partialdruck [mPa]
Temperatur [°C]
Gap Ozonsonde 97/06/20 01:11 Ozon
Temperatur
Abbildung A.19.: Gap Ozonsonde 97/06/20 01:11
Die Ozonkonzentration in Abbildung A.19 zeigt für den Ho chsommer typische starke Schwan-
kungen in der unteren Stratosphäre, ob erhalb von etwa 25 km nimmt die Ozonkonzentration
gleichmäÿig ab.
xx
A.5. Ozonsonden
0
10
20
30
40
50
60
0.1 1 10 100 1000
−80 −60 −40 −20 0 20
Höhe [km]
Druck [hPa]
Temperatur [°C]
Gap 97/06/20
P
T
PCNES
TCNES
Abbildung A.20.: Gap 97/06/20 Druck- und Temp eraturprol
Abbildung A.20 zeigt den Druck P und die Temp eratur T des UKMO (United Kingdom
Meteorological Oce) Klimamo dells für den Flug Gap 97/06/20. Zusätzlich eingezeichnet
sind die mit den balloneigenen Sensoren aufgenommenen Temp eraturen T
CNES
und Drücke
P
CNES
. Die starke Temp eraturhysterese von T
CNES
zwischen Aufstieg und Abstieg des Ballons
ist oensichtlich durch direkte Sonneneinstrahlung auf den Sensor b edingt. Die Erwärmung
der Stratosphäre selbst führt mit Heizungs- und Kühlungsraten von etwa 4 K/Tag in 40 km
Höhe (vgl. Abb. A.21) b ei einer Flugdauer von etwa 8 h zu einem wesentlich geringeren Tem-
p eraturgang.
Abbildung A.21.: Typische Temp eraturen und Erwärmungs- und Kühlungsraten der Atmosphäre
[
Roedel
1992]
xxi
A. Anhang
A.6. Nachweisgrenze für die BrO Bestimmung üb er
Resonanzuoreszenz
Abbildung A.22.: Untergrundsignal (oene Quadrate) und
1
Nachweisgrenze (oene Kreise) b ei
einem 20 Sekunden Meÿzyklus als Funk-
tion der Höhe [
McKinney et al.
, 1997]
Die Daten von
Brune et al.
[1989],
Toohey et al.
[1990]
Aval lone et al.
[1995] und
McKinney et al.
[1997]
in Abbildung 4.44 b eruhen auf in-
situ Messungen üb er die Resonanz-
uoreszenz von atomarem Brom.
Hierzu wird das BrO zunächst
üb er die Zugab e von NO in Bro-
matome üb erführt, die Bromkon-
zentration wird dann üb er die
Streuung von Licht auf der Wel-
lenlänge einer Resonanzuoreszenz
von Br (131.7 nm) nachgewiesen.
Diese Meÿmetho de erreicht ihre
gröÿte Genauigkeit von etwa
30 %
(
2
) ob erhalb von etwa 20 km Flug-
höhe. In niedrigeren Höhen führt
die Rayleighstreuung an Luftmo-
lekülen innerhalb der Meÿkammer
zu einem erhöhten Untergrundsi-
gnal. Bei den bisher eingesetz-
ten Resonanzuoreszenzinstrumen-
ten liegt (auch unter Ausnutzung
mehrerer Meÿzyklen) die Nachweis-
grenze unterhalb von etwa 16 km
ob erhalb des BrO Mischungsverhäl-
nisses (Abbildung A.22).
xxii
Abbildungsverzeichnis
1.1. Grundprinzip der DOAS (Aus [
Stutz
1996]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2. Brom Ozonabbauzyklen in der Gasphase (Nach [
Lary
1996a]) . . . . . . . . . 7
1.3. Atmosphärische Bromphoto chemie (Nach [
Lary
1996a]) . . . . . . . . . . . . . 7
1.4. Tagesverlauf der Brom Partitionierung [
Lary et al.
1996b] . . . . . . . . . . . 8
1.5. Berechnete üb er 24 h gemittelte O
x
Verlustraten [
Garcia und Solomon
1994] . 9
1.6. Berechnete üb er 24 h gemittelte Vertikalverteilung der Eektivität von Brom
für den Ozonverlust relativ zu Chlor für 38
N im März [
Garcia und Solomon
1994] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.7. Hemisphärische und globale zweimonatliche Mittel der trop osphärischen
Mischungsverhältnisse von a) H-1301, b) H-1211 and c) H-2402 [
Butler and
Montzka
1998] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1. Lichteinkopp elung des UV-Sp ektrographen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2. Schema optischen und mechanischen Aufbaus des Ballonsp ektrographen . . . 12
2.3. Schema der elektronischen Komp onenten des Balloninstrumentes . . . . . . . 13
2.4. Abmessung der Photo dio den auf der Photo dio denzeile Hamamatsu S-3901 bzw.
S-3904 (Aus [Hamamatsu 1994]) (Nicht maÿstabsgetreu) . . . . . . . . . . . . 14
2.5. Internes Schaltbild der Photo dio denzeile Hamamatsu S-5931 N (Aus [Hama-
matsu 1995]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6. Photo dio denzeilentemp eratur und Peltierspannung . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.7. Vereinfachtes Mo dell der Photo dio denzeile mit Vorverstärker . . . . . . . . . 17
2.8. Simulation der Photo dio denzeilenauslesung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.9. Oset der Meÿsp ektren des UV-Sp ektrographen während dreier Flüge . . . . 21
2.10. Oset der Meÿsp ektren des Vis-Sp ektrographen während dreier Flüge . . . . 21
2.11. Diagramm zur Bestimmung der Detektorlinearität [
Vradelis
1998] . . . . . . . 22
2.12. Blo ckdiagramm der Bo denstation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1. Schema der Schritte b ei der Auswertung der Meÿsp ektren . . . . . . . . . . . 29
3.2. Auswertung eines Kiruna Sp ektrums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3. Intensität des sichtbaren und infraroten Streulichts innerhalb des UV-
Sp ektrographen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4. Fitko ezienten während des Fluges León 96/11/23 . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5. Fitko ezienten während des Fluges Kiruna 97/02/14 . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6. Fitko ezienten während des Fluges Gap 97/06/20 . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.7. Dehnung der optischen Abbildung des UV-Sp ektrographen . . . . . . . . . . . 42
3.8. Wellenlängenverschiebung des UV-Sp ektrographen . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.9. Änderung des BrO Fitko ezienten b ei Verschiebung der Referenzsp ektren . . 44
3.10. BrO Fitko ezient b ei zyklischer Verschiebung der Reststruktur . . . . . . . . 45
3.11. Statistisches Rauschen des BrO Fitko ezienten während des Fluges León
96/11/23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.12. Optische Dichten ausgewählter Reststrukturen während des Fluges León
96/11/23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
xxiii
Abbildungsverzeichnis
3.13. Optische Dichten ausgewählter Reststrukturen während des Fluges Kiruna
97/02/14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.14. Optische Dichten ausgewählter Reststrukturen während des Fluges Gap
97/06/20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.15. Gröÿe des Residuums während des Fluges León 96/11/23 . . . . . . . . . . . 51
3.16. Korrelation der Auswertungen mit trop osphärischer Reststruktur und strato-
sphärischer Reststruktur mit der Auswertung ohne zusätzliche Reststruktur . 52
3.17. Schematische Vorgehensweise b ei der Analyse der Reststruktur . . . . . . . . 53
3.18. Mittelwert und Standardabweichung üb er die Reststrukturen . . . . . . . . . 55
3.19. Faktormuster der Reststrukturen der Flüge León 96/11/23, Kiruna 97/02/14
und Gap 97/06/20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.20. Erklärter Varianzanteil der Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.21. Typische Form von Reststrukturen b ei Unterschieden in der Auösung zwischen
den Referenzsp ektren und der Auösung des Sp ektrographen . . . . . . . . . 58
3.22. Typische Form von Reststrukturen b ei gegenüb er den atmosphärischen Sp ek-
tren verschob enen Referenzsp ektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1. Sichtgeometrie während des Ballonaufstieges [
Osterkamp
1997] . . . . . . . . . 67
4.2. Sichtgeometrie während des Sonnenuntergangs [
Osterkamp
1997] . . . . . . . 67
4.3. León 96/11/23 Karte mit Flugtra jektorie und Lichtwegen [
Harder
1998] . . . 69
4.4. León: Sonnenzenitwinkel und Längengrad üb er der Zeit . . . . . . . . . . . . . 69
4.5. León: Flughöhe und Luftsäulendichte im Lichtweg üb er dem Sonnenzenitwinkel 70
4.6. Kiruna 97/02/14 Karte mit Flugtra jektorie, Lichtwegen und p otentieller Vor-
tizität [
Harder
1998] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.7. Kiruna: Sonnenzenitwinkel und Längengrad üb er der Zeit . . . . . . . . . . . 72
4.8. Kiruna: Flughöhe und Luftsäulendichte im Lichtweg üb er dem Sonnenzenitwinkel 72
4.9. Gap 97/06/20 Karte mit Flugtra jektorie und Lichtwegen [
Harder
1998] . . . . 73
4.10. Gap: Sonnenzenitwinkel und Längengrad üb er der Zeit . . . . . . . . . . . . . 74
4.11. Gap: Flughöhe und Luftsäulendichte im Lichtweg üb er dem Sonnenzenitwinkel 75
4.12. BrO Säulendichten und Flughöhe üb er dem Sonnenzenitwinkel während des
Ballonaufstieges von León . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.13. BrO Säulendichten und Flughöhe üb er dem Sonnenzenitwinkel während des
Sonnenuntergangs von León . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.14. BrO Säulendichten und Flughöhe üb er dem Sonnenzenitwinkel während des
Ballonaufstieges von Kiruna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.15. BrO Säulendichten und Flughöhe üb er dem Sonnenzenitwinkel während des
Sonnenuntergangs von Kiruna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.16. BrO Säulendichten und Flughöhe üb er dem Sonnenzenitwinkel während des
gesamten Fluges von Gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.17. BrO Säulendichten und Flughöhe üb er dem Sonnenzenitwinkel während des
Sinkuges von Gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.18. Schema der Schritte zur Prolb estimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.19. León Bromoxid Säulendichte üb er der Luftsäulendichte . . . . . . . . . . . . . 80
4.20. Regression zur Bestimmung der Dierenz der BrO Säulendichten zwischen dem
Fraunhoferreferenzsp ektrum von León und Kiruna . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.21. Kiruna Bromoxid Säulendichte üb er der Luftsäulendichte nahe der Referenz . 81
4.22. Kiruna Bromoxid Säulendichte üb er der Luftsäulendichte . . . . . . . . . . . . 82
4.23. Gap Bromoxid Säulendichte üb er der Luftsäulendichte nahe der Referenz . . . 82
4.24. Gap Bromoxid Säulendichte üb er der Luftsäulendichte . . . . . . . . . . . . . 83
4.25. Mittleres BrO Mischungsverhältnis im Lichtweg . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
xxiv
Abbildungsverzeichnis
4.26. Luftmassenfaktormatrix des Fluges León 96/11/23 . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.27. Luftmassenfaktormatrix des Fluges Kiruna 97/02/14 . . . . . . . . . . . . . . 85
4.28. Luftmassenfaktormatrix des Fluges Gap 97/06/20 . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.29. Invertierte Luftmassenfaktormatrix für den Aufstieg des Fluges León 96/11/23 88
4.30. Invertierte Luftmassenfaktormatrix für den Sonnenuntergang des Fluges León
96/11/23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.31. Invertierte Luftmassenfaktormatrix für den Aufstieg des Fluges Kiruna 97/02/14 89
4.32. Invertierte Luftmassenfaktormatrix für den Sonnenuntergang des Fluges
Kiruna 97/02/14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.33. Invertierte Luftmassenfaktormatrix für den Sonnenaufgang des Fluges Gap
97/06/20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.34. BrO Konzentrationsprol León Ballonaufstieg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.35. BrO Konzentrationsprol León Sonnenuntergang . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.36. BrO Mischungsverhältnisprol León Ballonaufstieg . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.37. BrO Mischungsverhältnisprol León Sonnenuntergang . . . . . . . . . . . . . 95
4.38. BrO Konzentrationsprol Kiruna Ballonaufstieg . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.39. BrO Konzentrationsprol Kiruna Sonnenuntergang . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.40. BrO Mischungsverhältnisprol Kiruna Ballonaufstieg . . . . . . . . . . . . . 97
4.41. BrO Mischungsverhältnisprol Kiruna Sonnenuntergang . . . . . . . . . . . . 97
4.42. BrO Konzentrationsprol Gap Sonnenaufgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.43. BrO Mischungsverhältnisprol Gap Sonnenaufgang . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.44. Vergleich bisher publizierter stratosphärischer BrO Messungen . . . . . . . . . 101
A.1. Bildschirmdarstellung des Kontrollrechners [
Vradelis
1998] . . . . . . . . . . . v
A.2. Schaltbild Vorverstärker der Photo dio denzeile . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
A.3. Schaltbild Integrator Teil 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
A.4. Schaltbild Integrator Teil 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
A.5. Schaltbild PDZ-Controler (MC 68332 Einplatinenrechner) . . . . . . . . . . . ix
A.6. Schaltbild Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
A.7. Bauteilplazierung der Relaisplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
A.8. Bauteilplazierung der Leistungstreib erplatine für die Peltierelemente . . . . . xi
A.9. Schaltbild Leistungstreib er für die Peltierelemente . . . . . . . . . . . . . . . . xii
A.10.Schaltbild Spannungsversorgung des Balloninstrumentes . . . . . . . . . . . . xiii
A.11.Bauteilplazierung der Spannungsversorgungsplatine des Balloninstrumentes . xiv
A.12.Schaltbild des Adapters zum J(NO
2
)-Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
A.13.Bauteilplazierung der J(NO
2
)Adapter Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi
A.14.Schaltbild Lichtsensor (Intensität/Frequenzwandler) . . . . . . . . . . . . . . xvii
A.15.Bauteilplazierung der Lichtsensorplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
A.16.Rückwandverdrahtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii
A.17.León Ozonsonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
A.18.Kiruna (Esrange) Ozonsonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx
A.19.Gap Ozonsonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx
A.20.Gap 97/06/20 Druck- und Temp eraturprol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
A.21.Typische Temp eraturen und Erwärmungs- und Kühlungsraten der Atmosphäre
[
Roedel
1992] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
A.22.Nachweisgrenze für die BrO Bestimmung üb er Resonanzuoreszenz [
McKinney
et al.
, 1997] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxii
Üb ersetzung zitierter Bildunterschriften durch Ferlemann
xxv
Tab ellenverzeichnis
2.1. Datenformat des seriellen RS 422 Datenstromes . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2. Abschätzung der Beiträge der Detektorrauschquellen . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3. Belegung der Analog-/Digitalwandlerkanäle der MC 68332 Einplatinenrechner 25
2.4. Belegung der Analog-/Digitalwandlerkanäle des Instrument-PC . . . . . . . . 26
3.1. Prädiktoren für die Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2. Regression der Flugparameter und Fitko ezienten auf die Faktorwerte . . . . 63
4.1. Üb erblick und Vergleich der Ballon BrO Messungen mit b o dengestützten Mes-
sungen [
Enel l et. al.
1998] und ERS-2 (GOME) Satellitendaten [
Wagner
1998;
Hegels
1998] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
xxvi
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Danksagung
Besonders herzlich mö chte ich mich b ei Hartwig Harder b edanken, in enger und pro duktiver
Zusammenarb eit mit ihm ist das Balloninstrument mit inzwischen fünf erfolgreichen Meÿü-
gen möglich geworden. Auch unter Zeitdruck hat mir die Zusammenarb eit mit ihm immer
viel Freude b ereitet.
Meinen lieb en Eltern danke ich für vieles und dafür, daÿ sie mir die innere Einstellung zum
Studium vermittelt hab en.
Herzlichen Dank geht auch an
Klaus Pfeilsticker,
Ulrich Platt,
Nadine Bauer,
Hartmut Bösch,
Claude Camy-Peyret,
Frank Erle,
Richard Fitzenb erger,
Touc Hawat,
Pascal Jeseck,
Hartmut Osterkamp,
Cornelius Otten,
Dieter Perner,
Marcus Schulte,
Jo chen Stutz,
Paul Vradelis,
Thomas Wagner,
das CNES Ballon Team, das Observatoire de Genève und natürlich an die Besetzung des
Kinderzimmers und die gesamte Arb eitsgrupp e.
Der Firma Homann Meÿtechnik GmbH danke ich für die Üb erlassung zahlreicher Testver-
sionen der Software für die MC 68332 Einplatinenrechner.
Diese Arb eit wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, For-
schung und Technologie (BMBF Pro jektnummer 01LO9316/5) und die Europäische Union
(EU Pro jektnummer ENV4-CT-95-0178).
