Entwicklung eines spatialen Heterodynspektrometers zur Erforschung atmosphärischer Prozesse

Spektrometer vom Connes-Typ, auch bekannt als "Spatiale Heterodynspektrometer" (SHS), sind für Weltraumapplikationen hervorragend geeignet, da sie monolithisch realisiert werden können und dazu flexibel und robust sind. Zusammen mit der BU Wuppertal und dem FZ Jülich entwickeln wir ein SHS zur Temperaturmessung in der mittleren Atmosphäre mit dem Ziel, Wetter- und Klimamodelle zu verbessern. Dies setzt die Ermittlung atmosphärischer Daten auf einer globalen Skala sowie mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung voraus, um die kleinskalige Dynamik der Atmosphäre abbilden zu können. Von besonderer Bedeutung sind dabei sog. Schwerewellen, da sie die verschiedenen Bereiche der Erdamosphäre miteinander koppeln und besser verstanden werden müssen, um die Genauigkeit von Klimaprojektionen zu erhöhen (s. Abb. 1). Einer der innovativen Aspekte dieses Projekts ist der Einsatz von Kleinsatelliten, sog. "CubeSats", mit Abmessungen von 10cm x 10cm x 60cm, die durchaus auch in größerer Zahl in niedrige Erdorbits geschickt werden können. Dabei ist beabsichtigt, einen ganzen Schwarm solcher CubeSats mit SHS-Systemen auszustatten, um eine hochaufgelöste, mit Hilfe von tomographischen Techniken dreidimensional rekonstruierte Temperaturverteilung der Atmosphäre zu erhalten.

Abb. 1. Simulation der charakteristischen Temperaturverteilung einer Schwerewelle.

Abb. 2. Schema eines Spatialen Heterodynspektrometers. Die Spiegel eines Michelson-Interferometers sind durch Beugungsgitter ersetzt. Für jede einfallende Wellenlänge entsteht ein Interferenzmuster mit einer charakteristischen Ortsfrequenz auf dem Detektor. Im vorliegenden Fall wird die Rolle der Lichtquelle von der Atmosphäre gespielt, die einige tausend Kilometer entfernt ist.

Abbildung 2 zeigt die Schemazeichnung eines SHS. Der Aufbau entspricht dem eines Michelson-Interferometers, wobei die Spiegel durch Beugungsgitter ersetzt sind. Je nach Beleuchtungswellenlänge weisen die auslaufenden Wellenfronten damit einen spezifischen Neigungswinkel zueinander auf, was zu Interferenzstreifen auf dem Detektor führt, deren Frequenz für die Beleuchtungswellenlänge charakteristisch ist. Das SHS übersetzt somit das Zeitfrequenzspektrum des Lichts, das gemessen werden soll, in ein Ortsfrequenzspektrum. Dieses Spektrum kann mittels numerischer Fouriertransformation ausgewertet werden. Im vorliegenden Fall sollen die Intensitätsverhältnisse von acht Feinstruktur-Linien der Sauerstoff-A-Bande bei ca. 762 nm ermittelt werden, was die Bestimmung der Temperatur der umgebenden Atmosphäre erlaubt.

Zusätzlich sollen, ergänzend zu diesem Vorhaben, ein bodengestütztes Infrarotsystem sowie ein asymmetrisches SHS (DASH) zu Messung von Windgeschwindigkeiten in der oberen Thermosphäre entwickelt werden.

Datenerfassung