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High-Tech-Thermometer – GRIPS 3-OH-Spektrometer

GRIPS 3
… wenn man nur einem Gebiet eine Stunde mehr Vorlaufzeit geben kann, um Schutzmaßnahmen zu treffen, ist das goldwert.“, so Wolfgang Bauer, 2. Bürgermeister der von letzten Hochwasser ebenfalls betroffenen Marktgemeinde Garmisch-Partenkirchen. Mit diesen Worten würdigte der Politiker am 31.08.2005 die Arbeit der Wissenschaftler in der Kick-Off-Veranstaltung des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums (DFD) vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in der Umweltforschungsstation „Schneefernerhaus“ (2650m) auf der Zugspitze. Damit fiel der Startschuss für einen Work-Shop zum Thema GRIPS 3 (GRound-based Infrared P-branch Spectrometer), seinen Aufgaben und Einsatz in der Klimaforschung und als Frühindikator von Naturkatastrophen.

Schneefernerhaus, Zugspitze

GRIPS 3 misst die in der Mesopause in 87 km Höhe von Hydroxyl-Molekülen (OH) ausgesandte Wärme in 365 Nächten im Jahr. Dafür ist der höchste Berg Deutschlands ein idealer Ort, über der Grenzschicht und frei von menschlichen Emissionen mit klaren Blick in die oberen Schichten der Erdatmosphäre. Die Infrarot-Strahlung im 1,5 µm Wellenlängenbereich wird dabei von einem Planspiegel über ein Streulichtunterdrückungssystem an einen Monocromator geschickt, welcher das für menschliche Augen unsichtbare Licht in seine Spektralfarben zerlegt. Mittels Drehung eines Gitters wird der Wellenbereich abgetastet und der so gewonnene Messpunkt von einem hochempfindlichen und stickstoffgekühlten Halbleiterdedektor in Spannung umgewandelt.
Durch ein Computerprogramm wird die Spannung in Form von Temperatur interpretiert und auf dem Bildschirm in einem Diagramm dargestellt.
Dabei liefert das System alle 3 Minuten einen Wert. Die so entstehenden Kurven geben Aufschluss über die Temperaturentwicklungen in den oberen Luftschichten der Erdatmosphäre.

Da die Luftdichte der Mesopause nur ein Millionstel der Luftdichte an der Erdoberfläche beträgt, sind die hier gewonnenen Erkenntnisse statistisch wesentlich schneller wirksam. Das bedeutet, dass sich der Zeitraum für die Gewinnung von anwendbaren Erkenntnissen und Voraussagen stark reduziert.

Bodengestützte Datenerfassung zur Kalibrierung und zum Abgleich von Satellitendaten sind notwendig, um einerseits Aussagen über die Qualität der aus Umlaufbahnen gewonnenen Daten machen zu können. Anderseits sind diese Höhen, in denen GRIPS 3 operiert, für Flugzeuge und Wetterballone nicht zugänglich. Eine Alternative der Datenerfassung mit Raketen wäre kostenaufwendig und in Westeuropa aus Sicherheitsgründen nicht möglich.

Neben der Validierung von Satellitendaten bieten sich für GRIPS 3 weitere Anwendungsmöglichkeiten, so zum Beispiel im Tsunami-Frühwarnsystem.
Es ist bekannt, dass sich bei der Tsunami-Katastrophe vom 26.12.2004 durch ein schweres Seebeben der Meeresgrund auf einer Länge von 1000 km innerhalb weniger Sekunden um 10 m angehoben hatte. Dabei senkte sich die Meeresoberfläche, wie eine Lautsprechermembran, im einen halben Meter. Die dadurch entstandene Infraschallwelle – von Tieren wahr genommen – hätte in den dichten Luftschichten der Erde nur eine Temperaturwirkung von 1/100stel Grad gehabt. Jedoch nach 4 min mit Eintreffen der Schallwelle in der Mesopause, hätte GRIPS 3 eine ungewöhnliche Temperaturabweichung von 33 Grad angezeigt und damit das Seebeben frühzeitig nachgewiesen.

Auch in der Erforschung der Auswirkungen von so genannten Schwerewellen auf die Vorhersagemodelle des Wetter in den unteren Luftschichten bis 10 km Höhe wird sich GRIPS nützlich machen.
So kann das System die durch Auftreffen von Luftmassen auf Bergketten verursachten Schwerewellen nachweisen. Diese Wellen, erkennbar an hohen wellenförmigen Eiswölkchen, breiten sich oftmals bis in die höchsten Schichten der Atmosphäre aus und beeinflussen dort die Luftzirkulation.

Als Bestandteil von IGOS – Integrated Global Observation Strategie, eines globalen Netzwerkes zur Datengewinnung durch Bodenstationen, per Flugzeug und Satellit wird GRIPS 3 seine Daten internationalen Forschungseinrichtungen zur Verfügung stellen. Mit der nächsten Generation, nämlich GRIPS 4 und seiner Stationierung auf dem Forschungsschiff „Polarstern“ planen die Wissenschaftler eine seegestützte mobile Version ihres High-Tech-Temperaturfühlers.



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