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Jülich - 19.09.02 thomas.wagner@iup.uni-heidelberg.de 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
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Überblick• Spektroskopie & Satelliten• GOME-Instrument• Spurenstoffdaten aus GOME-Messungen
=> Blick in die unteren Atmosphärenschichten(Troposphäre)
• Wolkeneinfluss auf Satellitenmessungen• Zukunft (Beginn März 2002)
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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
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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
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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)
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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
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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!
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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
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VCD BrO, 05.04.1997
VCD NO2, 10.08.1998
Earth‘s coverage by GOME
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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/
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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
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GOME Viewing Geometry
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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
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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/
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OClO aus GOME-Messungen
Untersuchung der stratosphärischen Ozonchemie
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Ozonloch, Antarktis
Bodenmessungen,Halley, Antarctis Farman et al., 1986, Jones and Shanklin, 1995
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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
]
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16.02.2000
17.01.2001
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26-Nov 26-Dec 25-Jan 24-Feb 25-Mar180
190
200
210
0
1
2
26-Nov 26-Dec 25-Jan 24-Feb 26-Mar180
190
200
210
0
1
2
26-Nov 26-Dec 25-Jan 24-Feb 26-Mar180
190
200
210
T min
(475
K) [
K]
0
1
2
SCD
OC
lO [1
e14
mol
ec/c
m²]
26-Nov 26-Dec 25-Jan 24-Feb 26-Mar180
190
200
210
0
1
2
1995/96
1996/97
1997/98
1998/99
26-Nov 26-Dec 25-Jan 24-Feb 25-Mar0
1
2
180
190
200
210 1999/2000
Tmin 475 K
OClOmax (90°SZA)
26-Nov 26-Dec 25-Jan 24-Feb 26-Mar180
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
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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
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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]
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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]
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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]
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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]
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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]
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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]
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NO2 Produktion durch BlitzeBlitzhäufigkeit und GOME-NO2 für verschiedene Monate
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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]
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NO2 durch Biomassenverbrennung
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Feuerhäufigkeit Tropospherisches NO2
x1015 molec/cm2
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Extraktion des menschlichen Einflusses (A):
‚Lichtverschmutzung‘ vom Weltraum aus gesehen
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Extraktion des menschlichen Einflusses (A):
Korrelation zwischen Leuchtdichte undtroposphärischem NO2(Franz Rohrer, KFA Jülich)
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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
Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun
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*
Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun
9x1014
1x1015
1x1015
Tel Aviv Jerusalem
Israel
NO
2*
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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
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SO2 Emissionen, Ätna, Sommer 2001
GOME SO224.07.2001GOME SO224.07.2001 25.07.200125.07.2001
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GOME NO2 and HCHO, 70927023, Biomass burning over Borneo
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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
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• 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
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Probleme existierender Wolkenalgorithmen über Polarregionen
CRUSA (Wenig, 2001) FRESCO (Koelemeijer et al., 2001)
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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
√
√
√
√
√
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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
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Zukunft (ab 1. März 2002): ENVISAT-Start
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SCIAMACHY-Spektralbereiche
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SCIAMACHY Beobachtungsgeometrien
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SCIAMACHY Erste Spektren
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giger
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