T. Wagner, S. Beirle, C. Frankenberg, C. v. Friedeburg, M...

Jülich - 19.09.02 [email protected] Satellite group http://giger.iup.uni-heidelberg.de

Analyse von GOME/SCIAMACHY DatenT. Wagner, S. Beirle, C. Frankenberg, C. v. Friedeburg, M. Grzegorski, J. Hollwedel,

S. Kühl, F. Khokhar, S. Kraus, S. Shangavi, W. Wilms-Grabe, M. Wenig, U. PlattInstitut für Umweltphysik, University of Heidelberg,

INF 229, D-69120 Heidelberg, Germany


Überblick• Spektroskopie & Satelliten• GOME-Instrument• Spurenstoffdaten aus GOME-Messungen

=> Blick in die unteren Atmosphärenschichten(Troposphäre)

• Wolkeneinfluss auf Satellitenmessungen• Zukunft (Beginn März 2002)


Warum Satellitenmessungen?

Wunsch: ‘Überall alles messen’Bisher vor allem Boden-Netzwerke (z.B. Dobson-Ozon-Netztwerk)

⇒Satellitenmessungen kommen dem Ideal am nächsten

• Globale Beobachtung:-entlegene Gebiete werden zugänglich-Messungen mit ‘gleichem Maß’ über gesamter Erde-globale Bilanzen und Budgets

• Blick von ‘außen’• Trennung von räumlichen und zeitlichen Variationen• Langzeitstabilität


Joseph von Fraunhofer (1787-1826)

"Ich fand mit dem Fernrohre fast unzählig viele starke und schwache vertikale Linien, die aber dunkler sind als der übrige Teil des Farbbildes; einige scheinen fast schwarz zu sein."

• erste große achromatische Objektive für Fernrohre

• erste Verwendung von Beugungsgittern, erste absolute Wellenlängenbestimmung

• Bestimmung der Position von 234 der über 500 von ihm gefundenen Linien im Sonnenspektrum; seine Benennung wird heute noch Verwendet

Gezeichnetes, von Joseph von Fraunhofer selbst koloriertes Sonnenspektrum, um 1814


Gustav Robert Kirchhoff

1824 - 1887

in Heidelberg:

1854 - 1874

Robert Wilhelm Bunsen

1811 - 1899

in Heidelberg:

1852 - 1899• 1859, in Berichten der Preußischen Akademie der Wissenschaften:

"Über die Fraunhoferschen Linien": Kochsalzdampf absorbiert auch dieselben von ihm emittierten Linien; diese sind mit den Fraunhoferlinien in der heißen Sonnenatmosphäre identisch.

• Im Mineralwasser von Bad Dürkheim wurden mit der Spektralanalyse zwei neue Alkalien, die Elemente Caesium (1860) und Rubidium (1861), entdeckt. (sieben Gramm aus ca. 44.000 Litern Mineralwasser extrahiert)


1960 1970 1980 1990 2000

Sputnik

Satellites

Weather Satellites

Ozone(BUV)

Ozone(TOMS)

Ozone++(spectra)

UV/vis satellite history

Explorer

TIROS NIMBUS-4

NIMBUS-7

NOAA-9

NOAA-11 NOAA-14

Space shuttle

METEOR-3 Earth-probe

ADEOS

GOME SCIAMACHY

NIMBUS-7


Spurenstoff-Fernerkundung mit Satelliten

• Satelliteninstrumente in verschiedenen Spektralbereichen

• Vorteile des UV/vis Spekralbereichs: -hohe Intensität (Sonne)-nur Absorption -hohe Transparenz,

⇒Blick bis zum Boden ⇒Troposphäre!


GOME(Global Ozone MonitoringExperiment)

Start: ERS-2, April 1995

Spektrale Auflösung 0.2 - 0.4 nm zwischen 240 und 790 nm

→ Außer Ozon können viele weitere Spurenstoffe gemessen werdenNO2, BrO, OClO, HCHO, SO2, H2O, O2, O4


VCD BrO, 05.04.1997

VCD NO2, 10.08.1998

Earth‘s coverage by GOME


Atmospheric trace gas absorptions detected in satellite spectra

1E + 08

1E + 10

1E + 12

1E + 14

1E + 16

200 300 400 500 600 700 800W ave leng th [nm ]

Inte

nsity

[arb

itrar

y un

its

O 3 U V

O 3 vis

H C H O

O C lO

O 4

O 2

H 2O

SO 2 N O 2 B rO

Satell ite grou p: http://gige r.iup .u ni-heidelbe rg.de/


345 350 355 360Wellenlänge [nm]

BrO

O3

OClO

O4

NO2

Restsruktur

Meßspektrum

Quotientenspektrum

60 %

Ring

7 %

7 %

0.3 %

0.2 %

1.2 %

2.2 %

0.1 %

<0.01 %

BrO-Auswertung aus GOME-Spektren


GOME Viewing Geometry


Dependence of the GOME measurements on the solar zenith angle SZA

20 30 40 50 60 70 80 90SZA [°]

0

4

8

12

AMF

albedo 0.8

albedo 0.0

stratospheric AMF

tropospheric AMF

geometric AMF


Tropo-sphere

n m )

Strato- sphere

Atmospheric Species measured by GOME & analysed at the University of Heidelberg

OClO

NO2

BrO

NO2 BrO HCHO SO2 H2O O4 / O2

Satellite group: http://giger.iup.uni-heidelberg.de/


OClO aus GOME-Messungen

Untersuchung der stratosphärischen Ozonchemie


Ozonloch, Antarktis

Bodenmessungen,Halley, Antarctis Farman et al., 1986, Jones and Shanklin, 1995


ClO + BrO => OClO + Br

=> OClO: Indikator für stratosphärische Chloraktivierung

320 340 360 380 400 420 440Wavelength [nm]

0.0E+0

5.0E-18

1.0E-17

1.5E-17

[cm

]


16.02.2000

17.01.2001


26-Nov 26-Dec 25-Jan 24-Feb 25-Mar180

190

200

210

0

1

2


190

200

210

0

1

2


190

200

210

T min

(475

K) [

K]

0

1

2

SCD

OC

lO [1

e14

mol

ec/c

m²]


190

200

210

0

1

2

1995/96

1996/97

1997/98

1998/99


1

2

180

190

200

210 1999/2000

Tmin 475 K

OClOmax (90°SZA)


190

200

210

0

1

22000/01

26-Nov 26-Dec 25-Jan 24-Feb 26-MarTime

0

1

22001/02

180

190

200

210


Besondere Anforderungen bei Troposphärenmessungen:

• Hohe Luftdichte => Starker Einfluß von Mehrfachstreuung• Starker Einfluß der Bodenalbedo• Starker Störung durch Raman-Streuung • Starker Einfluß von Aerosolen (Wolken!).

Verfahren zur Trennung von Stratosphäre und Troposphäre

• Stärke des troposphärischen Signals• Höhere zeitliche und räumliche Variabilität• Abschirmeffekt von Wolken• sonstige Metoden


NO2 VCD 9 days average

07.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.1998

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

clear sky minimum over 9 days NO2 VCDs [1e15 molec./scm]


NO2 VCD 9 days minimum(cloud free pixel)

07.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.199807.05.1998 - 15.05.1998

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

clear sky minimum over 9 days NO2 VCDs [1e15 molec./scm]


Selecting only measurements over the oceans

15.05.199815.05.199815.05.199815.05.199815.05.199815.05.199815.05.199815.05.199815.05.1998

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

filtered NO2 VCD pixels [1e15 molec./scm]


Interpolation and smoothing

15.05.199815.05.199815.05.199815.05.199815.05.199815.05.199815.05.199815.05.199815.05.1998

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Stratospheric NO2 VCDs [1e15 molec./scm]


Difference between total VCD and stratospheric background => tropospheric NO2

Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

tropospheric NO2 VCDs (uncorrected) [1e15 molec./scm]


Tropospheric NO2 after correction for different sensitivity to stratosphere and troposphere

Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997Autumn 1997

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

troposp. NO2 VCDs (albedo corrected) [1e15 molec./scm]


NO2 Produktion durch BlitzeBlitzhäufigkeit und GOME-NO2 für verschiedene Monate


Abhängigkeit von troposphärischem NO2 von der Blitzhäufigkeit

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.142

3

4

5

6N

O2*

[1014

mol

ec/c

m2 ]

Lightning Activity [Flashes/day/pixel]


NO2 durch Biomassenverbrennung


Feuerhäufigkeit Tropospherisches NO2

x1015 molec/cm2


Extraktion des menschlichen Einflusses (A):

‚Lichtverschmutzung‘ vom Weltraum aus gesehen


Extraktion des menschlichen Einflusses (A):

Korrelation zwischen Leuchtdichte undtroposphärischem NO2(Franz Rohrer, KFA Jülich)


Extraktion des menschlichen Einflusses (B):

Wochenzyklus in GOME NO2-Daten

Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun

1.2x1015

1.4x1015

1.6x1015

1.8x1015

2.0x1015

2.2x1015USA

NO

2*

LA Chicago Detroit NY Eastcoast


6.0x1014

8.0x1014

1.0x1015

1.2x1015

1.4x1015

1.6x1015

1.8x1015

2.0x1015

London Milan Paris Rome Athens Berlin

Europe

NO

2*


9x1014

1x1015

1x1015

Tel Aviv Jerusalem

Israel

NO

2*


Vulkanausbruch, Ätna, Sommer 2001

http://www.educeth.ch/stromboli/perm/etna/index-e.html

http://www.dfd.dlr.de/images_aetna/aetna_presse_dlr.htm


SO2 Emissionen, Ätna, Sommer 2001

GOME SO224.07.2001GOME SO224.07.2001 25.07.200125.07.2001


GOME NO2 and HCHO, 70927023, Biomass burning over Borneo


Wasserdampf Vergleich GOME-Meteorologisches Modell (ECMWF)

0

5E+22

1E+23

1.5E+23

2E+23

2.5E+23

-90 -60 -30 0 30 60Latitude

VCD

H2O

[mol

ec/c

m²]

Reihe1ReihGOMEECMWF


• Fast alle GOME Pixels (320 x 40 km²) sind teilweise wolkenbedeckt• Wolken sind typischerweise deutlich heller als der Untergrund (Ausnahme Schnee und Eis))

Die zwei Haupteffekte von Wolken sind daher:A) Abschirmung der darunterliegenden SpurenstoffeB) Erhöhung der Empfindlichkeit für Spurenstoffe direkt über der Wolke


Probleme existierender Wolkenalgorithmen über Polarregionen

CRUSA (Wenig, 2001) FRESCO (Koelemeijer et al., 2001)


Test verschiedener zusätzlicher Wolkensensitiver Parameter:

04.09.1996:Hurricane Fran

NOAA GOES-8 Satellite, 16:02 UTC

0.45

0.5

0.55

0.6

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Polarisation_UVPolarisation_visPolarisation_IR

0

0.2

0.4

0.6

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 400

1

2

3

O2_630OD_O2_761nm

0.50

1.00

1.50

2.00

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

C I_UVCI_vis

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

O4_360O4_577O4_630

0

1

2

3

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40Latitude

Ring_360Ring_380

√

√

√

√

√


Zusammenfassung

• Spurenstoffmessungen bis in die Troposphäre mit GOME, SCIA

• Globale Datensätze atmosphärischer Spurenstoffe (O3, NO2 BrO, OClO, HCHO, SO2, H2O, O2, O4) erlauben die Untersuchung wichtiger atmosphärischer Fragestellungen (Transport, Quellen, Senken, globale Bilanzen)

• Wolkeneinfluß (noch) stärkste Fehlerquelle

• Zukunft: SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CHartographY) auf ENVISAT


Zukunft (ab 1. März 2002): ENVISAT-Start


SCIAMACHY-Spektralbereiche


SCIAMACHY Beobachtungsgeometrien


SCIAMACHY Erste Spektren


giger


Satellite Group IUP-Heidelberg, Summer 2002

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