1. Lidar

Wie funktioniert ein Lidar? (2/2)

Wie in der Animation auf der vorherigen Seite zu sehen ist, wird das Laserlicht nicht nur an Oberflächen (zum Beispiel der Wasseroberfläche) reflektiert, sondern auch die Wassermoleküle und die Schwebstoffe im Wasser liefern ein Signal, indem sie das Licht streuen. Man nutzt also die Phänomene der Reflexion und der Streuung, um Messdaten zu erhalten.

Neben Reflexion und Streuung könnte man sicherlich auch ausnutzen, dass manche Substanzen in der Atmosphäre oder in den Ozeanen das Licht absorbieren. Dies führt zu einer Abnahme der Intensitäten des Laserlichts und des zurückgestreuten oder reflektierten Lichts. Solche Signale sind jedoch nicht ganz einfach zu deuten, da sie beispielsweise auch durch eine Abnahme der Menge lichtstreuender Substanzen zustande kommen können. Sehr viel einfacher wird es, wenn man zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen nutzt: wählt man sie geeignet, dann findet bei der einen Wellenlänge Absorption statt, bei der anderen nicht. Dann sind auch die Intensitäten des zurückkommenden Streulichts bei diesen beiden Wellenlängen unterschiedlich, und aus diesem Unterschied kann man auf die Menge der absorbierenden Substanzen schließen. Dieses Verfahren wird differenzielles Lidar genannt, da die Absorption von Substanzen bei unterschiedlichen Wellenlängen genutzt wird. Auf diese Weise kann zum Beispiel der Ozongehalt in der Atmosphäre gemessen werden.

Das Antarktische Ozonloch am 25. September 2003, gemessen mit dem Satelliten ENVISAT der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. Die Konzentration des Ozon, erfasst über die gesamte vertikale Atmosphäre, ist farblich kodiert wiedergegeben. Die Einheit DU ist die Dobson Unit, 1 DU entspricht einer Schicht von 0,01 mm reinem Ozon bei atmosphärischem Normaldruck.
Quelle: ESA

Dies ist aber noch nicht alles! Eine weitere Methode nutzt Fluoreszenz als Signalquelle aus. Viele Stoffe fluoreszieren, senden also nach einer Anregung durch Lichtabsorption wiederum selbst Licht aus. Das Fluoreszenzlicht besitzt eine größere Wellenlänge als das anregende Licht. Die Messung des oft sehr intensitätsschwachen Fluoreszenzlichts ist trotz des intensiven Laserlichts möglich, wenn man das Laserlicht mit optischen Filtern unterdrückt.

Im Bild unten links ist Fluoreszenzlicht zu sehen, das von einem Laser erzeugt wird, der Licht mit der Wellenlänge 355 nm (für das Auge nicht sichtbares Ultraviolett) in einen Wassertank strahlt. Im Tank befindet sich Leitungswasser, in dem Spuren organischer Substanzen enthalten sind, die mit blauer Farbe fluoreszieren.

Unten rechts ist eine Messstation für atmosphärische Messungen der Lufttemperatur und des Winds mit einem Lidar abgebildet.

Lidar in einem Wassertank im Labor (links) und in der Atmosphäre (rechts).
Quelle, rechtes Bild: Australian Antarctic Division