GRIPS - Langzeitmessungen an der Mesopause in 87 km Höhe

Überblick

In der oberen Mesosphäre reagiert atomarer Wasserstoff mit Ozon unter Bildung angeregter Hydroxyl-Moleküle:

H + O₃ -> OH* + O₂*

Die so ausgebildete OH*-Schicht befindet sich in einer Höhe von ca. 87 km, also der Mesopausenregion. Die nahen Infrarot-Emissionen der OH*-Moleküle werden schon seit ihrer Entdeckung durch Meinel 1950 gemessen und zur Temperaturbestimmung verwendet. Die Rotationstemperatur der OH*(3,1)-Bande liegt dabei dicht an der kinetischen Temperatur der Atmosphäre und kann während der Nacht relativ einfach aus den relativen spektralen Intensitäten abgeleitet werden.

Die Arbeitsgruppe für Atmosphärenphysik in Wuppertal benutzt GRound-based Infrared P-Branch Spectrometer (GRIPS) Instrumente, um in "jeder" Nacht die Temperatur in der Mesopausesregion in etwa 87 km Höhe zu messen. Wolken können dabei die Messungen so stark beeinflussen, dass keine sinnvollen Messwerte mehr aufgenommen werden können und es somit in einigen Nächten keine Daten gibt. GRIPS-II und GRIPS-N sind Czerny-Turner Gitterspektrometer, die im nahen Infrarot zwischen 1,52 - 1,55 µm mit einer spektralen Auflösung von etwa 470 messen. GRIPS-N (siehe Bild) ist dabei das Nachfolgeinstrument von GRIPS-II, welches Mitte 2011 seinen Dienst eingestellt hat. GRIPS-F ist ein neueres Intrumentenmodell, welches mit einer besseren spektralen Auflösung von ca. 610 und auch einer besseren zeitlichen Auflösung messen kann (siehe Bild rechts Mitte). Die GRIPS-Messungen wurden 1980 begonnen und werden seit Mitte 1987 kontinuierlich durchgeführt. Das GRIPS-F Instrument nahm seinen Betrieb im Jahr 2015 auf. Über 10000 Nachtmitteltemperaturen sind bis Ende 2022 verfügbar (GRIPS-II/N und GRIPS-F).

Das Gesichtsfeld der GRIPS-Instrumente Grips-N bzw. Grips-F hat in 87 km Höhe unter einem Beobachtungswinkel von 45^o eine horizontale Auflösung von 30x40 km² bzw. 24x2km². Alle 210 Sekunden (Grips-N) bzw. alle 15s (Grips-F) wird ein OH*-Spektrum gemessen (Beispielspektren siehe Bild). Die Spektren beider Geräte werden im Moment in Wuppertal zur Bestimmung der nächtlichen Rotationstemperaturen der (3,1) Hydroxyl-Meinel-Bande der OH*-Schicht verwendet. Die Rotationstemperaturen werden dabei aus den relativen spektralen Intensitäten der drei Linien abgeleitet (siehe Pfeile in Bild rechts unten). Dadurch werden die Rotationstemperaturen nicht durch Veränderungen der Spektrometerempfindlichkeit oder der Atmosphärendurchlässigkeit beeinflusst, es sei denn, solche Veränderungen sind wellenlängenabhängig. Selbst in diesem Fall würden die Effekte klein sein, da die drei Linien sehr dicht beieinander liegen (1,524, 1,533, 1,543 µm).

Der Relativfehler der Nachtmitteltemperaturen liegt bei etwa 1-2 K (GRIPS-II), 3 K (Grips-N) bzw. 0,2 K (Grips-F). Dieser Wert wurde aus Messungen während der gesamten Nacht abgeleitet und enthält daher auch noch einige atmosphärische Variabilität. Er muss daher als obere Grenze des Relativfehlers betrachtet werden. Der Absolutfehler liegt bei ca. 2-3K für alle Geräte (Liniendaten, Kalibrierung, LTE Bedingung). Spektrale und Intensitätskalibrierungen werden etwa einmal pro Jahr durchgeführt.

Mehr Informationen über das Instrument sowie zur Datenauswertung finden sich in den entsprechenden Publikationen.

Details

Der Jahresgang der Mesopausentemperatur und wissenschaftliche Ergebnisse zu Trends.

Das GRIPS-Gerät ist auch Teil des Network for the Detection of Mesopause Change (NDMC)

Die GRIPS-Temperaturen und weiterführende Informationen können auf Nachfrage bei Dipl.-Phys. Peter Knieling (knieling@uni-wuppertal.de) oder Dr. Christoph Kalicinsky (kalicins@uni-wuppertal.de) erhalten werden.

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