KARL, das Koldewey Aerosol Raman Lidar

Wenn es dunkel ist, kann man häufig über Ny-Ålesund einen hellen grünen Laserstrahl sehen, der vom AWIPEV-Observatorium gegen den Himmel schießt. Der Laserstrahl gehört zu einem LIDAR-System, welches vom Alfred-Wegener-Institut in Potsdam seit den 1990er Jahren betrieben wird. Damit wird an klaren Tagen die Atmosphäre nach dünnen Wolken und Aerosolen untersucht, kleinsten Schwebeteilchen in der Luft.

Aerosole sind wichtig für die Bildung von Wolken. Jedes Wassertröpfchen einer Wolke hat sich um ein kleines „Staub“körnchen herum gebildet. Ohne diesen Kern würden sich Wolken nur bei sehr hohen Luftfeuchtigkeiten entwickeln. Was die Forscher interessiert, ist die Art und Weise, wie das Vorhandensein der Aerosole die Wolkenbildung hier in der Arktis beeinflusst. Wolken reflektieren einen Teil des einfallenden Sonnenlichts und der ausgehenden Wärmestrahlung der Erde. Das heißt sie beeinflussen die Strahlungsbilanz und können zur Erwärmung oder Abkühlung der Erdoberfläche beitragen. Daher sind sie für exakte Prognosen des Klimas relevant.

Aerosole können verschiedenen Ursprungs sein: Als Asche und Sulfate können sie durch Vulkanausbrüche, Buschfeuer oder die Schwerindustrie in die Atmosphäre gelangen. Sie können aus feinstem Sand bestehen und aus den Wüsten hergetragen worden sein. Auch Bakterien, Pollen oder durch die Gischt in die Luft gebrachte Salze sind Aerosole. Sie haben je nach Teilchengrösse und Aufenthaltshöhe unterschiedliche Verweilzeiten im Bereich mehrerer Tage bis Wochen. In dieser Zeit werden die Partikel mit den Winden von ihren Entstehungsorten weggetragen und über weite Strecken transportiert.

Während einige Partikel eher in den unteren, wetterbestimmenden Luftschichten bis 10 Kilometer (Troposphäre) zu finden sind, können Aerosole von Vulkanausbrüchen auch weit hinauf in die Stratosphäre gelangen und dort über Monate ausharren. Das letzte Mal wurde am AWIPEV-Observatorium ein solches Ereignis im Jahr 2009 gemessen. Damals stammten die Aerosole von einer Vulkaneruption in Kamtschatka.

Aerosole in der Luft, Arktis
Aerosole in der Luft (Foto: René Bürgi)

Bewegung von Aerosolen

Dieses Video der NASA zeigt die simulierte Konzentration und Bewegung von Aerosolen in der Luft. Diese können sehr variabel sein, während wir von den Transportvorgängen kaum etwas mitbekommen.

Video: NASA Goddard

Partikel aus mittleren Breiten

Obwohl in der Arktis in der Regel verhältnismässig klare Luft herrscht, können also durch Winde Partikel aus mittleren Breiten nach Norden gelangen. Dies kann vor allem im Frühjahr zu dunstartigen Wetterverhältnissen führen, dem sogenannten „Artic Haze“. Vergangenen Sommer waren es die verheerenden Waldbrände in Kanada, welche für trübe Sicht sorgten und die Berge hinter Ny-Ålesund für zwei Tage verschwinden ließen. In der Arktis ist es außergewöhnlich, wenn die Luft soviel Staub enthält, dass sich Lichtstrahlen der Sonne darin abzeichnen wie über einem frisch gemähten Kornfeld.

Während der Polarnacht sind es eher Polare Stratosphärische Wolken (PSC), nach denen mit KARL Ausschau gehalten wird. Solche Perlmuttwolken bilden sich in einem Höhenbereich von 15 bis 25 Kilometern. Es gibt sie in verschiedenen Formen. In der Arktis entstehen sie dann, wenn im Winter ein riesiger Polarwirbel die Luftmassen um den Nordpol gefangen hält. Die oberen Atmosphärenschichten sind dann über Wochen ohne Sonnenlicht und können auf Temperaturen unter -78 Grad Celsius abkühlen – Bedingungen, bei denen sich dünne Wolken aus Schwefelsäure, Salpetersäure oder Wassereis ausbilden. Dies ist wichtig für die Ozonchemie und kann im Frühjahr zur massiven Reduktion der Ozonkonzentration führen.

Einblick in den offenen Laser
Einblick in den offenen Laser (Foto: René Bürgi)

Funktionsprinzip eines Lidars

Das Funktionsprinzip eines Lidars ist einfach zu verstehen: Es ist eine Art Radar, wobei man an Stelle von Radiowellen Laserlicht verwendet. Man sendet zu Beginn einen ganz kurzen Lichtpuls aus, weniger als 10 Milliardstel Sekunden lang. Dieser Puls schießt mit Lichtgeschwindigkeit gegen den Himmel. Trifft der Strahl auf Aerosole, so wird ein kleiner Teil davon zurückgestreut. Dieser wird nach kurzer Zeit von einem kleinen Teleskop eingefangen und registriert.

Das System misst nicht nur Art und Intensität des zurückgesandten Lichtes, sondern auch die Zeit zwischen Pulserzeugung und -registrierung. Diese ist proportional zur Höhe, in der sich die Teilchen befinden. Indem man nach jedem Puls einen Moment lang das einfallende Licht misst, gewinnt man ein komplettes Höhenprofil. Alle anfallenden Daten werden via Internet abgeholt und am Alfred-Wegener-Institut in Potsdam ausgewertet.

Lidar-Luke: Der Laserstrahl verlässt das Observatorium
Lidar-Luke: Der Laserstrahl verlässt das Observatorium (Foto: René Bürgi)

Wissenswertes über KARL

  • Der Laser frisst ganz schön Energie: Zur Erzeugung des Strahles benötigt er 30.000 Watt Leistung, soviel wie rund 500 60-Watt-Glühbirnen. „Nur“ 50 Watt Leistung verlässt den Laser als Licht. Der Rest ist Abwärme und muss von der Kühlanlage abgeführt werden.
  • Für einen gepulsten Laser sind 50 Watt Lichtleistung sehr viel: Würde man die Leistung nur während des kurzen Pulses messen, läge sie bei einem Zehntel der Leistung eines Kernkraftwerks. Ein handelsüblicher Laserpointer darf maximal 0.001 Watt an Lichtleistung haben. Der Laserstrahl ist damit so stark, dass ein einziger Puls die Netzhaut der Augen komplett zerstören würde, blickte man direkt in den Strahl. Daher ist bei allen Arbeiten eine Laserschutzbrille erforderlich.
  • Wenn der Strahl aus dem Laser kommt, hat er einen Durchmesser von 1 Zentimeter. Danach wird er auf 11 Zentimeter Durchmesser aufgeweitet, bevor er das Observatorium verlässt. Er bleibt so länger im engen Bildfeld des Teleskops. Dank dieses Tricks kann man auch über den Sommer bei Tageslicht messen.
  • Der Laserstrahl besteht aus drei Wellenlängen (Farben): Ultraviolett, Grün und Infrarot. Sehen kann unser Auge nur den grünen Anteil. Aus dem Verhältnis der Rückstreuung in den drei Farben lässt sich die Größe der Teilchen abschätzen.
  • Der Laser sendet stark polarisiertes Licht aus, das heißt die Lichtwellen schwingen nur in einer Richtung. Über die Polarisationseigenschaften des rückgestreuten Lichtes kann man etwas über die Form der Aerosole aussagen.
  • Durch den Raman-Effekt streuen auch die Stickstoffmoleküle aus der Luft Licht zurück. Dabei geht diesem etwas Energie verloren und die Farbe ändert sich. KARL misst auch in solchen Wellenlängen, was gewisse Korrekturen ermöglicht.
  • Der Laserstrahl muss exakt senkrecht über dem Teleskop stehen und mit dessen Gesichtsfeld überlappen. Dazu ist er über Spiegel ein bisschen beweglich.
  • KARL sendet 50 Pulse pro Sekunde. Damit erscheint der Strahl dem Auge kontinuierlich.
Die schwachen Signale werden von Photodetektoren (PMT) registriert.
Die schwachen Signale werden von Photodetektoren (PMT) registriert. (Foto: René Bürgi)
Die Daten werden vom Steuerprogramm ausgelesen.
Die Daten werden vom Steuerprogramm ausgelesen. (Foto: René Bürgi)