Wie feucht ist die Erdatmosphäre?

Ein von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickeltes Luftfeuchte-Messgerät, das SEALDH-Laserhygrometer, hat sich beim Einsatz im Flugzeug bewährt und bringt alle Voraussetzungen mit, herkömmlichen Feuchte-Messgeräten als Transfernormal zu dienen. Dadurch ließe sich die Qualität von Luftfeuchtemessungen in der Erdatmosphäre – und damit auch von Klima-Modellrechnungen – verbessern.

Feuchtemessungen in der Atmosphäre sind von größter Bedeutung, weil Wasserdampf den atmosphärischen Strahlungshaushalt der Erde als wichtigstes natürliches Treibhausgas stark beeinflusst und somit entscheidend unser Klima bestimmt. Er ist zudem für Wetterphänomene wie Wolkenbildung und Niederschlag verantwortlich. Der atmosphärische Wassergehalt stellt daher in allen Klimamodellen, aber auch für die Wettervorhersage eine zentrale Größe dar, die exakt ermittelt werden muss, wenn man tragfähige Vorhersagen vom Wetter bis hin zu zukünftigen Klimaentwicklungen treffen will. Doch den Wasserdampf bis in die obere Atmosphäre zu messen ist keine leichte Aufgabe, was dazu führt, dass sich Luftfeuchtemessungen, die von verschiedenen Forschungsprojekten mit unterschiedlicher Technik ermittelt werden, selbst im aufwändigen Laborvergleich bisher mitunter um mehr als 10 % unterscheiden.

Um die Qualität der atmosphärischen Wasserdampfmessung zu erhöhen und für eine bessere Vergleichbarkeit zu sorgen, haben PTB-Wissenschaftler das rückführbare Laser-Hygrometer SEALDH entwickelt. SEALDH steht für Selective Extractive Airborne Laser Diode Hygrometer und funktioniert nach dem Prinzip der durchstimmbaren Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS). Für den Einsatz im Flugzeug muss es klein, leicht und vibrationsunempfindlich ist, viele Messungen in kurzer Zeit durchführen sowie autonom agieren, um sich beispielsweise dauerhaft zu überwachen oder nach Störungen wieder selbst in Betrieb zu nehmen. Darüber hinaus ist SEALDH auch selbstkalibrierend. Das ist ein deutlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Feuchtemessgeräten, die häufig und teilweise auch unter schwierigen Bedingungen, z. B. im Hangar, kalibriert werden müssen.

In einer wissenschaftlichen Mission auf einem Learjet 35A konnte SEALDH nun auf sieben Flügen seine Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen, nachdem es zuvor einen erfolgreichen Blindvergleich mit mehreren etablierten Flugzeughygrometern an der Umweltsimulationskammer des Forschungszentrums Jülich absolviert hatte. Im Flugbetrieb bewies das Laser-Hygrometer eine Nachweisgrenze im ppm-Bereich, einen sehr großen Messbereich zwischen 25 ppm und 25 000 ppm Volumenanteil Wasser sowie eine exzellente zeitliche Auflösung deutlich unter einer Sekunde.

Darüber hinaus haben PTB-Wissenschaftler SEALDH mit dem nationalen Feuchtenormal der PTB verglichen und dabei eine mittlere Abweichung von unter 2 % erreicht – ohne jede Kalibrierung. Diese Fähigkeiten sind die Basis, um SEALDH mittelfristig als Transfernormal zur Qualitätssicherung von Luftfeuchtemessungen in der Atmosphärenforschung einzusetzen.

PTB / AH