Forskare har utvecklat ett laserbaserat system som kan användas för luftburen mätning av viktiga atmosfäriska gaser med oöverträffad noggrannhet och upplösning. Möjligheten att samla in dessa data kommer att hjälpa forskare att bättre förstå hur dessa atmosfäriska gaser påverkar klimatet och kan bidra till att förbättra förutsägelser om klimatförändringar.

I tidskriften Optical Society Tillämpad optik , forskare från Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)—Tysklands nationella centrum för flyg- och rymdfart, energi- och transportforskning – beskriv hur deras lidarinstrument användes ombord på ett flygplan för att få de första samtidiga mätningarna av den vertikala strukturen av vattenånga och ozon i tropopausregionen i atmosfären. Forskarna säger att det nya systemet till och med kan vara användbart för att övervaka atmosfäriska gaser från rymden.

Tropopausen skiljer det ytbaserade troposfärskiktet där vädret äger rum från den överliggande stratosfären som innehåller ozonskiktet som skyddar livet på jorden från skadlig strålning. Forskare vill studera vattenånga och ozon i tropopausen eftersom fördelningen av dessa atmosfäriska gaser i detta lager spelar en avgörande roll för jordens klimat.

"Förmågan att detektera den vertikala strukturen av vattenånga och ozon är avgörande för att förstå utbytet av dessa atmosfäriska gaser mellan troposfären och stratosfären, sa Andreas Fix, som ledde forskargruppen. "Dessa mätningar kan hjälpa oss att identifiera fel och osäkerheter i klimatmodeller som skulle hjälpa till att förbättra förutsägelser om det framtida klimatet, vilket är en av de centrala utmaningarna för vårt samhälle och ekonomi."

Få ett 3D-perspektiv

Atmosfäriska gaser kan bedömas med instrument som flygs upp i atmosfären eller med data inhämtad från satelliter. Dock, dessa metoder har inte kunnat ge en fullständig bild av atmosfärisk gasdistribution eftersom de antingen saknar den vertikala komponenten eller inte ger tillräckligt hög upplösning. Även om instrument som bärs med ballonger – så kallade ballongsonder – kan ge högupplösta vertikala profiler, de erbjuder inte detaljerad tidsupplösning och kan endast användas på utvalda platser.

För att lösa dessa problem, forskarna utvecklade ett lidarsystem som använder laserljus för att mäta både ozon och vattenånga samtidigt. Deras tillvägagångssätt, kallas differentiell absorptionslidar (DIAL), använder två lite olika UV-våglängder för att mäta varje gas. UV-strålningen vid en våglängd absorberas mestadels av gasmolekylerna medan större delen av den andra våglängden reflekteras. Att mäta förhållandet mellan UV-signalerna som återvänder från atmosfären möjliggör beräkning av en detaljerad gasprofil.

Gasprofilerna som skapas med det nya lidar-systemet uppvisar en vertikal upplösning på cirka 250 meter och en horisontell upplösning på cirka 10 kilometer under flygplanets flygbana.

"Denna vertikala förmåga är ett betydande framsteg när det gäller att studera utbytesprocesser vid tropopausen, " sa Fix. "Det hjälper till att övervinna betydande brister i att lösa den finskaliga distributionen som har gjort det svårt att förstå processer som ansvarar för utbyte vid tropopausen."

Att uppnå energieffektivitet

För att utföra denna metod ombord på ett plan, forskarna använde en mycket effektiv optisk parametrisk oscillator (OPO) som de tidigare utvecklat för att omvandla laserutgången till de UV-våglängder som behövs för att mäta vattenånga och ozon. "Omvandlingen måste vara mycket energieffektiv för att generera UV-strålning med tillräcklig pulsenergi och hög medeleffekt från den begränsade energi som finns tillgänglig ombord på ett flygplan, " förklarade Fix.

Tester av det nya lidarsystemet visade att dess noggrannhet stämde väl överens med ballongsondernas. Under 2017, forskarna flög det nya systemet ombord på det vågdrivna isentropiska utbytesuppdraget (WISE), som involverade flera långdistansflygningar över Nordatlanten och norra Europa. De fann att instrumentet fungerade anmärkningsvärt bra, förblev stabil under användning och kunde mäta karakteristiska ozon- och vattenångfördelningar vid tropopausen.

Forskarna planerar att analysera den nya vertikala komponentdata som förvärvats under WISE och integrera den i klimatmodeller. De förväntar sig att använda instrumentet för att samla in information om atmosfärisk gas ombord på framtida flygningar.