Die Bestimmung der Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre erfolgt heute global und flächendeckend mit Satelliten. Aber natürlich begann die Messtechnik nicht im Weltraum, sondern auf dem Boden und dort werden selbstverständlich auch heute noch ganz normale 'bodengestützte' Feuchtigkeitsmeßgeräte eingesetzt. Denn ...
Die Frage wieviel Wasser unsere Atmosphäre in Form von Wasserdampf enthält ist für kurzfristige Vorhersagen der Wetterentwicklung genauso von Bedeutung wie für langfristige Voraussagen der Entwicklung unseres Klimas. Aber nicht nur die Frage wieviele Wassermoleküle unserer Erdatmosphäre enthält, sondern auch, wo sich diese befinden ist für eine gute Vorhersage von entscheidender Bedeutung. So kann die Wasserdampfkonzentration am Äquator bis zu 500 mal größer sein als die über dem Nord- oder Südpol. Gleichzeitig kann die Wasserdampfmenge an bestimmten Stellen, abhängig von der Tages- und Jahreszeit, sehr stark variieren und beeinflußt damit Wetter und Klima an jedem Ort der Erde in großem Maße. Zusätzlich zu den räumlichen Dimensionen Länge, Breite und Höhe auf unserer Erde ändert sich die Wasserdampfkonzentration auch noch sehr unregelmässig mit der Zeit.
Aufstieg einer Ballonsonde |
Meteorologen (= Wetterkundler) beschäftigen sich seit langem mit der Messung der Wasserdampfkonzentration. Täglich werden Messungen der Temperatur, des Druckes und eben auch des Wasserdampfgehaltes der Luft durchgeführt. Dabei bedient man sich häufig sogenannter Ballonsonden. Dies sind Meßgeräte, welche an einem Balloon befestigt bis zu 10km hoch in die Atmosphäre aufsteigen und damit ein vertikales Profil (= Wasserdampfwerte in Abhängigkeit von der Höhe) an einer bestimmten Stelle über der Erde erstellen. Hierzu nutzt man sogenannte Psychrometer oder Taupunktmesser. Früher verwandte man auch Haarhygrometer. Entfettetes Haar hat die Eigenschaft, dass sich seine Länge mit der Feuchte ändert.
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Die meisten dieser Instrumente müssen geeicht werden. Das bedeutet, dass zum Beispiel die Länge des Haares in einem Haarhygrometer (griech.: hygro = feucht, naß) bei genau bekannten Wasserdampfkonzentrationen im Labor gemessen wird. Anhand dieses Wertes kann man die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre von der dort gemessenen Länge des Haares ableiten. Natürlich benützt man heutzutage viel genauere und besser zu eichende Meßgeräte (z.B. elektrische Kondensatoren). Jedoch wurde erst kürzlich von mehreren Wissenschaftlern festgestellt, daß manche dieser modernen Methoden aufgrund der in der Atmosphäre im Vergleich zum Labor veränderten Meßumstände einen systematischen Fehler von bis zu 10% aufwiesen. Deshalb ist es bei solchen Messungen wichtig, mit möglichst unterschiedlichen Meßmethoden die gleichen Werte zu bestimmen: in diesem Falle also die der Wasserdampfkonzentration.
Wasserdampfmessung einer Ballonsonde des Königlich Niederländischen Meterologischen Instituts (KNMI) vom 25. 7. 1995
| Satellitenmessungen (Remote Sensing) |
Der in der Wissenschaft übliche Ausdruck 'Remote Sensing' wird meist mit Fernerkundung übersetzt.
Die Messung der Wasserdampfkonzentration mit Hilfe eines auf einem Satelliten angebrachten Meßinstruments, also aus großem Abstand (Remote Sensing), ist eine der neuesten Alternativen zu den bereits beschriebenen 'bodengestützten' Messungen. Satelliten überfliegen innerhalb weniger Tage jeden Punkt der Erdoberfläche und können deshalb ein lückenloses, globales Bild der Wasserdampfkonzentration liefern. Ihr Nachteil ist jedoch, daß der genaue Ort, dem eine bestimmte Konzentration zugeordnet wird, oftmals einige hundert bis tausend Quadratkilometer groß ist. Außerdem ist die Messung von vertikalen Profilen in diesem Fall ungleich viel schwieriger als bei den Ballonsonden (wenn auch nicht unmöglich), da man bei einer satellitengestützen Messung meist durch die ganze Atmosphäre hindurch auf die Erdoberfläche blickt Der Satellit sieht also das Wasser in allen Höhen gleichzeitig. Die neueste Satellitentechnik versucht das Problem dadurch zu lösen, daß die Meßinstrumente nicht mehr vertikal direkt auf den Boden, sondern schräg durch die Atmosphäre hindurchblicken und dabei ihre Blickrichtung vom Erdboden bis zum äußeren Rande der Atmosphäre kontinuierlich verändern.
Bisherige Satelliten konnten nur entweder senkrecht auf die Erde blicken oder aber schräg durch die Atmosphäre. Im Bau aber noch nicht im Weltall ist die neueste Generation:
Die neuesten Satelliten schauen gleichzeitig schräg durch die Atmosphäre und senkrecht auf die Erdoberflaeche. Dort wo sich beide Blickrichtungen überschneiden kann die Sonnenstrahlenintensität in einem Volumen mit bekannter Größe und Höhe über dem Erdboden ausgemessen werden.
Bildausschnitt: zur Verfügung gestellt von IFE/Bremen
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Spektrometermessung auf einem Satelliten
Eine Methode, die Wasserdampfkonzentration vom Satelliten aus auf der Erde zu messen, ist es, das Sonnenlicht, das in der Erdatmosphäre und auf dem Erdboden reflektiert wird mit Hilfe eines auf dem Satelliten installierten Spektrometers in ein Spektrum von Lichtstrahlen, bestehend aus unterschiedlichsten Energieen, aufzufächern. So ein Spektrum sehen wir zum Beispiel im Regenbogen. Die Sonne strahlt Licht in Form von Energiepaketen, den Photonen, jeder erdenklichen Energie auf die Erde ab. Viele dieser Photonen werden vom Erdboden und von Molekülen innerhalb der Atmosphäre reflektiert und zurück in den Spektrometer auf unserem Satelliten gestrahlt, der die Photonen dann nach der Größe ihrer Energie sortiert und zählt. Einige dieser Photonen werden auf ihrem Weg durch die Atmosphäre von den Molekülen absorbiert und, zum Beispiel, in Wärme umgewandelt oder als Energie gespeichert. Auch die Erdoberfläche absorbiert viele dieser Photonen und wärmt sich dabei auf. Unterschiedliche Arten von Molekülen absorbieren jedoch nur ganz bestimmte Photonen mit vom Molekül abhängigen Energiewerten. So auch das Wassermolekül, wie wir schon im Kapitel Absorption gesehen haben. Die Photonen die in der Atmosphäre vom Wasserdampf absorbiert werden, fehlen also bei der Zählung im Spektrometer.
Vereinfacht können wir uns das so vorstellen:
Die Sonne strahlt aus dem Weltraum (schwarz) in die Atmosphäre (hellblau) ein. Die Lichtteilchen (hier als gelber Strahl dargestellt), erreichen die Erdoberfläche (braun). Wir betrachten jetzt nur die Lichtteilchen, die zurückgeworfen, d.h. reflektiert werden. Lichtteilchen Nr. 1 wird von der Erde reflektiert und erreicht den Satelliten (blau-grün). Dieser empfängt ein Signal (wird rot). Mit Lichtteilchen Nr. 2 geht es ebenso. Nr. 3 dagegen trifft auf seinem Weg ein Wassermolekül. Dieses absorbiert und der Satellit sieht nichts mehr. Je mehr Wasserteilchen in der Luft sind, desto weniger Lichtteilchen werden beim Satelliten ankommen.
Vergleicht man nun die Anzahl der angekommenen Photonen einer Energie die vom Wasser absorbiert wird mit der Anzahl der von der Sonne abgestrahlten Photonen, kann man aus der Anzahl der fehlenden Photonen die Konzentration der Wassermoleküle in der Erdatmosphäre bestimmen. Allerdings nur die Gesamtkonzentration entlang genau des Weges welcher das Licht auf dem Weg von der Sonne zur Erde und zurück zum Satelliten zurückgelegt hat: also, wenn die Sonne im Rücken des Satelliten steht, zwischen dem Satellit und der Erdoberfläche. Da sich mehr als 99% des Wasserdampfes in den ersten 5000 Metern über der Erde befinden, die Atmosphäre aber deutlich mehr als hundert Kilometer dick ist und Satelliten meistens um die tausend Kilometer von der Erdoberfläche entfernt sind, müssen diese Photonenzählungen sehr exakt sein um gute Ergebnisse zu liefern. Oftmals müssen deshalb die Wege der Photonen durch die Atmosphäre vorher vom Computer berechnet werden.
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Globale Wasserdampfmessung im Juli mit den Satelliten SSM/I, TOVS und TRIOS
Quelle: David L. Randel et.al., BAMS - June, 1996 Vol 77, No 6
(Angegeben ist die Höhe der Wassersäule in mm, wenn alles Wasser aus der Atmosphäre als See auf dem Boden stände.)
| Bedeutung der Wasserdampfmessung |
In den Kapiteln 'Wasserdampf - ein Treibhausgas' und 'Absorption' haben wir gesehen, dass das Wassermolekül Photonen in weiten Bereichen des Energiespektrums absorbiert, insbesondere die von der Erde zurückgestrahlte Infrarotstrahlung. Je größer die Menge dieser wärmeabsorbierenden Moleküle in der Atmosphäre, desto größer deren Erwärmung. Dies wird als Treibhauseffekt bezeichnet. Kohlendioxid, das bei jeder Nutzung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wie Öl und Kohle (also im Kraftwerk, in der Heizung, wie im Auto) entsteht, oder Methan, das z.B. beim Verrottungsprozeß von Pflanzen, beim Reisanbau oder in den Därmen der Kühe produziert wird, sind Moleküle, die die Rückhaltung von Wärme durch die Wasserdampfabsorption sehr wirksam ergänzen. Die von ihnen verursachte zusätzliche Erderwärmung erhöht wiederum den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Allerdings gibt es mehr als tausend mal so viel Wassermoleküle in der Atmosphäre wie Methanmoleküle, weswegen Wasserdampf mit Abstand das wichtigste Treibhausgas ist.
Nur wenn man also, zum Beispiel mit Hilfe von Satelliten, die Wasserdampfkonzentration an jeder Stelle der Atmosphäre sehr genau bestimmen kann, wird es möglich sein, den vom Menschen durch den Ausstoß von CO2 und Methan verursachten Beitrag am Treibhauseffekt absolut zu bestimmen. Bei der Untersuchung der relativen Entwicklung des Temperaturanstiegs innerhalb der Atmosphäre über die letzten Jahrzehnte ist jedoch schon heute eine Aussage über diesen menschlichen Anteil an der Erwärmung möglich, da man davon ausgehen kann, daß unter natürlichen Bedingungen innerhalb dieser Zeitspanne, die Wasserdampfkonzentration in der gesamten Atmosphäre konstant ist.
Die Genauigkeit der Bestimmung der Wasserdampfkonzentration mit Hilfe von Satellitenmessungen liegt heute erst bei ungefähr 30 bis 40%, manchmal sogar noch schlechter. Das liegt vor allem an der Tatsache, dass Wasser im Gegensatz zu vielen anderen Gasen in der Atmosphäre ein sehr komplexes Absorptionsspektrum hat. Ausserdem befindet sich das meiste Wasser eben direkt über der Erdoberfläche und ist deshalb für eine Satellitenmessung sehr weit vom Messinstrument entfernt (beinahe hundert Kilometer). Wir sind also noch ein gutes Stück vom Ziel, der genauen und absoluten Bestimmung aller Werte im Bereich um die 5%, entfernt.
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Wir fassen zusammen:
Wasserdampf ist ein schwer zu quantifizierendes Gas. Seine Konzentration ändert sich mit dem Ort auf der Erde, der Höhe über der Erde und der Zeit . Für die Messung am gleichen Ort nutzt man Hygrometer, die früher die Feuchteempfindlichkeit eines Haares, heute z.B. Kondensatoren nutzen. Ein Höhenprofil kann man mit Wetterballons ermitteln. Für eine globale Übersicht geeignet ist aber nur der Blick aus dem Weltall via Satellit. Dabei wird die Absorption des reflektierten Sonnenlichtes durch Wassermoleküle entweder senkrecht auf oder schräg zur Erdoberfläche gemessen - in Zukunft auch beides gleichzeitig. Das Ergebnis sind Bilder von globalen Wasserdampfverteilungen und ihren Änderungen. Hierbei muss man jedoch noch mit einem Messfehler von 30-40% leben.
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Ruediger Lang
FOM-Institute for Atomic and Molecular Physics
Atmospheric Photophysics Group
Amsterdam
Lang@amolf.nl
