Europäisches Metrologie-Forschungsprogramm - Wirkungsweisen

Verbesserung der Messungen zur Überwachung des atmosphärischen Ozons

Das Ozon in der Atmosphäre schützt die Erde vor schädlicher UV-Strahlung. Der Mensch hat jedoch die Ozonkonzentration in der Atmosphäre verringert und damit diesen „Schutzschild“ geschwächt. 

Die Spektralradiometer, mit denen Ozon gemessen wird, beruhen auf Konstruktionen aus den 1970er und 1980er Jahren. Instrumenten, die das Potenzial für verbesserte Messungen haben, fehlte lange Zeit die messtechnische Verifizierung für die langfristige Überwachung und Genauigkeit, die für den Schutz dieses wichtigen Moleküls erforderlich ist.

Herausforderung
Ozon, das aus drei miteinander verbundenen Sauerstoffatomen besteht, entsteht in der Stratosphäre durch die Einwirkung der Sonnenstrahlung auf Sauerstoffgas und absorbiert 99% der biologisch schädlichen UV-B-Strahlung der Sonne (280 - 315) nm, die beim Menschen Hautkrebs verursacht. Es ist ein seltenes Molekül, das in einem Bereich von (20-25) km über dem Meeresspiegel, der Ozonschicht, konzentriert ist. Sein Gehalt wird mit Spektralradiometern oder in einer quadratischen Säule (1 cm²) gemessen, die sich von der Erdoberfläche bis an den Rand des Weltraums erstreckt. Würde man das gesamte Ozon in dieser „Gesamtozonsäule“ (TOC) bei 0°C und einem Atmosphärendruck komprimieren, würde sie etwa 3 mm dick sein.

1976 wurde festgestellt, dass das Ozon durch chemische Stoffe zerstört wird, die durch anthropogene Aktivitäten freigesetzt werden, und 1987 wurde das internationale Montrealer Abkommen eingeführt, um die für den Ozonabbau verantwortlichen Stoffe auslaufen zu lassen. Aufgrund dieses Protokolls wird erwartet, dass sich das Ozon bis Mitte des 21. Jahrhunderts wieder auf den Stand von 1980 erholt. Allerdings sind längere Beobachtungszeiträume erforderlich, um sowohl den Zustand des Ozons zu überwachen als auch die Auswirkungen des Klimawandels auf den Ozongehalt zu bewerten.

Die etablierten Überwachungsnetze verwenden jedoch unterschiedliche Instrumententypen wie Dobson oder Brewer-Spektralradiometern, die kleine, aber signifikante Unterschiede in den Daten erzeugen, was die Zusammenführung von Ergebnissen aus verschiedenen Netzen erschwert. Darüber hinaus kann das in diesen Instrumenten durch die Sonneneinstrahlung erzeugte „Streulicht“ die schwächeren Ozonsignale überdecken, so dass Korrekturfaktoren erforderlich sind. Um dieses wichtige Molekül zuverlässig messen zu können, wurden verbesserte Instrumente mit höherer Genauigkeit und Langzeitstabilität benötigt.

Die Lösung 
Im Rahmen des atmoz-Projekts wurde ein von Gigahertz-Optik entwickeltes Array-Spektralradiometer, das BTS2048-UV-S, eingehend charakterisiert. Es ist in der Lage, die Sonnenleistung in Schritten von <0,2 nm über das gesamte UV-Spektrum zu messen, anstatt nur bei einigen wenigen Wellenlängen wie bei den Brewer- oder Dobson-Spektralphotometern, und bietet eine höhere Zuverlässigkeit bei der TOC-Ermittlung. Darüber hinaus enthielt das kompakte Instrument 6 verschiedene Filter, um Streulichteffekte zu reduzieren. 

Das Spektralradiometer nahm auch an einer Vergleichskampagne in Izaña, Teneriffa, teil, die vom Izaña Atmospheric Research Center der spanischen Meteorologiebehörde (AEMET) und dem World Radiation Center (PMOD-WRC) organisiert wurde. Dabei wurden die neuen Instrumente und Techniken, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurden, mit den etablierten Dobson und Brewer Spektralradiometer und dem weltweiten mobilen Sstandard QASUME verglichen. Die Ergebnisse des Vergleichs zeigten, dass das BTS2048-UV-S qualitativ hochwertige Daten für TOC-Messungen mit Abweichungen von weniger als 1,5% von den meisten anderen Instrumenten in den meisten Situationen und nicht mehr als 3% von etablierten TOC-Messsystemen wie Dobson oder Brewer lieferte.