Ergänzung 2.17: Das Mikrowellenradiometer (2/2)

Nachweis von Öl

Wir haben gesehen, dass Öl in Millimeter- bis Zentimeterstärke an der Wasseroberfläche vorhanden sein muss, damit sich Interferenzstreifen im Bereich der Mikrowellen ausbilden können. Dies zeigt das Bild unten.

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Microwave brightness temperature of oil
Strahlungstemperatur von Öl in absoluten Temperaturen (Kelvin-Skala) in Abhängigkeit von der Dicke eines Ölfilms in Millimeter bei drei Frequenzen im Mikrowellenbereich. Der Beobachtungswinkel des Radiometers an der Oberfläche des Öls (zum Lot hin bestimmt) ist 41° (5 GHz), 54° (17 GHz) und 50° (34 GHz).
Quelle: The Archimedes 1 Experiment, Joint Research Centre, Ispra Establishment, neu gezeichnet.

Diese Streifen sollten es erlauben, die Dicke von Ölschichten auf der Wasseroberfläche mit einem MWR-Scanner zu messen! Das Signal bei einer ausgewählten Frequenz erscheint beim Überflug eines Ölflecks durch die jeweils örtlich vorliegende Filmdicke moduliert infolge des Durchlaufens von Maxima und Minima, wie es in den Kurven der oben gezeigten Grafik zu sehen ist. Die so gemessenen Signalhöhen werden mit dem Planckschen Strahlungsgesetz in Strahlungstemperaturen umgerechnet. Eine Messfrequenz alleine würde allerdings zu mehrdeutigen Ergebnissen führen, da sich die Strahlungstemperatur mit wachsender oder abnehmender Filmdicke periodisch ändert. Das Problem der Mehrdeutigkeit lässt sich allerdings lösen, wenn man mit mehreren Frequenzen gleichzeitig arbeitet, wie es die Grafik ebenfalls zeigt.

Die Möglichkeiten zur Messung der Ölfilmdicke mit dem MWR werden in den rechts gezeigten Daten zweier Radiometer deutlich, welche bei 90 und 32 GHz arbeiten. Wird eine große Ölmenge auf die Wasseroberfläche gebracht, bildet sich zunächst der Kern eines Ölflecks mit Schichtdicken von Millimetern bis Zentimetern aus. Der Kern ist von einem sehr dünnen Film im Bereich um Mikrometer Dicke umgeben; dieser Film wird sehr schnell durch Wind und Wellen zu Streifen und kleinen Flecken verformt. Offensichtlich ist der MWR-Scanner nicht in der Lage, solche dünnen Filme zu erkennen. Er findet aber die dicken Schichten in einem Ölfleck, was ihn für das richtige Navigieren von Ölbekämpfungsschiffen während ihrer Einsätze nach Ölunfällen auf See sehr wertvoll macht.

Es gibt allerdings auch Einschränkungen bei den Einsätzen eines MWR, zum Beispiel wenn gealtertes Öl gefunden werden soll. Durch Wind und Wellen verteilen sich ständig kleine Wassertropfen im Öl, es emulgiert. Das Messprinzip des Mikrowellenradiometers beruht jedoch auf dem Nachweis der Temperaturstrahlung, die von der Wasseroberfläche unterhalb der Ölschicht abgestrahlt wird. Diese Strahlung muss die transparente Ölschicht durchdringen (wobei sie durch Interferenz moduliert wird). Wassertropfen im Öl erzeugen aber die gleiche Temperaturstrahlung wie eine ölfreie Wasseroberfläche. Aus diesem Grund sind Öl-Wasser-Emulsionen auf der Meeresoberfläche für die Mikrowellenradiometrie unsichtbar.

Eine weitere Einschränkung tritt auf, wenn die Ölschichtdicke zu sprunghaft über sehr kurze Distanzen variiert und deshalb die Dickenänderung durch die vergleichsweise gröbere Pixelverteilung des MWR-Scanners an der Wasseroberfläche nicht mehr erkannt wird. In der Folge wird ein Minimum oder ein Maximum eines Interferenzstreifens (oder auch mehrere Minima und Maxima) nicht erkannt und somit bei der Berechnung der Dickenändern nicht mitgezählt. Wenn dies passiert, führt es zu stark verfälschten Ergebnissen bei der Kartierung der Dickenverteilung von Ölflecken mit dem MWR-Scanner.



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Strahlungstemperatur von Öl bei Mikrowellen
Ölfleck aus schwerem Schiffstreibstoff mit einer Geamtmenge von 17 m3, gemessen mit einem MWR-Scanner bei 90 GHz (links) und 32 GHz (rechts). Der Flugkurs ist in den Bildern von unten nach oben, der Abtastbereich beträgt am Boden 282 m. Die Strahlungstemperaturen steigen von hellblau über dunkelblau und rot zu gelb. Die höchsten Änderungen der Strahlungstemperatur sind 20 K (links) und 17 K (rechts).
Quelle: The Archimedes 2 Experiment, Joint Research Centre, Ispra Establishment.
Ein MWR-Scanner besteht aus einem passiven Mikrowellenradiometer, das in spezifischen Frequenzbändern im 1-100 GHz - Bereich misst, gekoppelt an einen Scanner für eine abbildende Darstellung von Öl auf der Wasseroberfläche längs des Flugkurses eines Flugzeugs. Das physikalische Messprinzip beruht auf der Messung der Temperaturstrahlung, die vom Meerwasser bei Mikrowellenfrequenzen ausgesandt wird, wobei Öl auf der Wasseroberfläche für diese Strahlung durchsichtig ist. Innerhalb der Ölschicht führt dies zu Interferenzerscheinungen, sodass sich Interferenzstreifen ergeben mit Maxima und Minima im Signal, das vom MWR-Scanner empfahngen wird. Diese Maxima und Minima treten bei Variationen der Öldicke auf, die größenmäßig im Bereich der Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung liegen, also im Millimeter- bis Zentimeterbereich. Dies macht den MWR-Scanner für das Auffinden der dicksten Stellen in einem Ölfleck geeignet, die nach (meist unfallbedingten) Einleitungen großer Ölmengen auftreten.

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