7. Anwendungen von Lidar über Gewässern
Messung natürlicher Gewässereigenschaften (2/3)
Die Abbildungen auf der folgenden Seite zeigen Ergebnisse, die mit einem Laserfluorosensor vom Flugzeug aus in der Deutschen Bucht gewonnen wurden. Zwei Laserwellenlängen waren verfügbar, um die Raman-Streuung des Wassers und die Fluoreszenz verschiedener Substanzen spezifisch anzuregen.
Mit der Anregung bei 308 nm (Ultraviolett) wurde
- die Raman-Streuung des Wassers bei 344 nm bestimmt, woraus der UV-Attenuationskoeffizient (Mittelwert aus 308 und 344 nm) berechnet wurde
- die Fluoreszenz des Gelbstoffs bei 450 nm gemessen, woraus mit der Normierung auf die Raman-Streuung des Wassers bei 344 nm die Konzentration des Gelbstoffs berechnet wurde.
Mit der Anregung bei 450 nm (blau) wurde
- die Raman-Streuung des Wassers bei 533 nm (grün) bestimmt, woraus der Attenuationskoeffizient im blau-grünen Bereich (Mittelwert bei 450 und 533 nm) berechnet wurde
- die Chlorophyll-Fluoreszenz bei 685 nm gemessen, woraus mit der Normierung auf die Raman-Streuung des Wassers bei 533 nm relative Werte der Chlorophyll-Konzentration berechnet wurden.
Der Raman-Effekt des Wassers ist in Ergänzung 7.3 erklärt, die Methode der Raman-Normierung von Fluoreszenzsignalen auf Seite 3 der Ergänzung 7.1.
Die südöstliche Deutsche Bucht ist durch den Ausstrom der Elbe geprägt, der nach Norden entlang der Küste Schleswig-Holsteins führt. Dies ist in den beflogenen West-Ost-Profilen auf der folgenden Seite an den hohen Werten des Attenuationskoeffizienten und der starken Fluoreszenz des im Flusswasser enthaltenen Gelbstoffs gut zu verfolgen.
Im Gebiet um Helgoland sind die Werte sehr viel geringer. Man erkennt verschiedene Wasserarten, die sich insbesondere in der Fluoreszenz des Gelbstoffs deutlich unterscheiden und durch scharfe Übergänge voneinander getrennt sind. Algen im Meerwasser, die durch die Chlorophyll-Fluoreszenz nachgewiesen werden, hängen offenbar nicht direkt mit den anderen Parametern zusammen, sondern sind eher fleckenhaft verteilt.
Die scharfen Übergänge, die insbesondere in der Verteilung des Gelbstoffs sichtbar werden, sind hydrographische Fronten. Das mit Flusswasser verdünnte Meerwasser im östlichen Gebiet besitzt einen kleineren Salzgehalt und daher eine geringere Dichte. Daher überlagert es das salzreiche und dichtere Meerwasser der offenen See. Daher sind am Übergang zwischen zwei solchen Wasserkörpern die Flächen konstanten Salzgehalts und konstanter Dichte stark geneigt. Schneiden sie die Wasseroberfläche, dann bezeichnet man dies als eine Front im Meer.
Im Foto unten links ist eine Front im Meer an einem Schaumstreifen und einem Oberflächenfilm zu erkennen. In der unten rechts dargestellten Grafik sind die Flächen konstanter Dichte - die Isopyknen - wegen der zweidimensionalen Darstellung als Linien eingezeichnet.
Rechts: Schematische Darstellung des vertikalen Aufbaus einer Flusswasserfront. Das leichtere Flusswasser schiebt sich über das Meerwasser. Wo die Linien konstanter Dichte (Isopyknen) die Wasseroberfläche schneiden, befindet sich die Front. Durch eine Querzirkulation, die an der Front in die Tiefe führt, entsteht aus wasserunlöslichen organischen Substanzen Schaum und ein Oberflächenfilm. Da Flusswasser meist sehr viele Schwebteilchen (Schlick, Algen, Bakterien) enthält, sind Fronten auch durch einen Sprung der Meerwasserfarbe zu erkennen.
Mit Laserspektroskopie und der Messung der Raman-Streuung und der Fluoreszenz können spezifische Informationen über die Durchsichtigkeit des Meerwassers und über organische Substanzen im Meer - insbesondere gelöste Huminstoff (Gelbstoffe) und Algen (Phytoplankton) gewonnen werden. Diese Eigenschaften sind in individuellen Strukturen des Spektrums enthalten und müssen daher nicht mit komplexen Auswerteverfahren aus dem Spektrum extrahiert werden, wie es zum Beispiel bei der Bestimmung aus der Meerefarbe der Fall ist. Hierdurch werden auch sehr hohe Nachweisempfindlichkeiten auch kleiner Substanzmengen erreicht.
