Verbesserung der spektroskopischen Datenbasis von H₂O für die Anwendung in bodengebundener Fernerkundung der Atmosphäre

Die Atmosphärenfernerkundung im Allgemeinen und die bodengebundene Fernerkundung im Besonderen sind auf hinreichend genaue Referenzmessungen der Wechselwirkung elektromagnetischer
Strahlung mit atmosphärischen Spurengasen angewiesen. Ohne die Kenntnis von Absorptionseigenschaften
und deren Temperatur- und Druckabhängigkeit ist eine Auswertung von Atmosphärenspektren
nicht sinnvoll durchführbar. Absorptionslinienparameter sind für die häufigsten
Moleküle in sogenannten spektroskopischen Datenbanken wie HITRAN oder GEISA abgelegt. Die
Genauigkeit der Parameter sowie das zugrunde liegende theoretische Linienmodell genügen jedoch
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in vielen Fällen nicht mehr der notwendigen Genauigkeit. Obwohl es sich um eines der am intensivsten
untersuchten Moleküle handelt, ist dies vor allem für Wasser der Fall. Dies ist nicht zuletzt auf
den vergleichsweise großen Intensitätsbereich relevanter Absorptionslinien und die Schwierigkeit
experimenteller Messung von Absorptionsspektren mit geringen systematischen Fehlern zurückzuführen.
Ziel dieser Arbeit ist es, eine experimentelle Datenbasis von Absorptionsparametern von Wasserdampf
für die Anwendung in der Auswertung von vom Boden aus gemessenen Atmosphärenspektren
zu liefern. Dazu werden moderne Linienmodelle zum Einsatz gebracht und sowohl statistische
als auch systematische Parameterungenauigkeiten quantifiziert. Der Spektralbereich von Interesse
liegt dabei zwischen 5.4 µm und 2.5 µm bzw. 1850 cm–1 und 4000 cm–1. Dieser Bereich liegt zwischen
zwei starken Absorptionsbanden des Wassermoleküls und ist damit von besonderer Relevanz
für bodengebundene atmosphärische Fernerkundung, die auf Messungen in atmosphärischen Fenstern
beschränkt ist.
Am Institut für Methodik der Fernerkundung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) wurden Messungen von Absorptionsspektren von Wasserdampf durchgeführt. Dazu wurde
ein hochauflösendes Fourier-Transform-Spektrometer verwendet. Aufgrund des großen Linienintensitätsbereichs
wurden zwei Absorptionszellen genutzt. Mit einer Absorptionszelle mit ca. 25 cm und
einer Multireflexionszelle mit einstellbarer Absorptionsstrecke wurden Absorptionsspektren von reinem
Wasserdampf sowie von Wasser-Luft-Gemischen bei Raumtemperatur sowie bei niedrigen und
hohen Temperaturen gemessen. Dazu wurde vorerst die Multireflexionszelle generalüberholt und
die maximale Absorptionsstrecke von ursprünglich ca. 85 m auf über 200 m erhöht. Zusätzlich wurde
das thermische Konzept überarbeitet, um die Temperaturgenauigkeit und -homogenität innerhalb
der Zelle zu optimieren.
Zur Auswertung der Spektren wurde, aufbauend auf einer vorhandenen Software zum Fit einzelner
Absorptionsspektren, eine neue Software entwickelt, die zum gleichzeitigen Fit mehrerer
Spektren konzipiert ist. Dabei wurden verschiedene Linienprofilfunktionen, unter anderem das
Hartmann-Tran-Profil, implementiert.
Die Auswertung der Messungen erfolgte in einem dreistufigen Verfahren, wobei aufeinanderfolgend
Reinwassermessungen, Messungen von Wasser-Luft-Gemischen bei Raumtemperatur und
abschließend Messungen von Wasser-Luft-Gemischen hoher und niedriger Temperatur analysiert
wurden. Um die Messungen bis auf Rauschniveau anzupassen, war es notwendig, neben den üblichen
Voigt-Parametern auch die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Selbst- und Fremdverbreiterung
sowie in einigen Fällen die Frequenz geschwindigkeitsändernder Stöße (Dicke-Effekt) oder line mixing
anzupassen. Für jeden gefitteten Parameter wurde eine ausführliche Analyse der Ungenauigkeit
durchgeführt.
Insgesamt wurden Parameter von knapp 7000 Linien ermittelt und mit den Datenbanken HITRAN12
und GEISA15 sowie unabhängigen Messungen und Rechnungen verglichen. Für Linienintensitäten
konnte eine beachtliche Übereinstimmung mit ab initio Berechnungen von meist unter 1 %
festgestellt werden. Beim Vergleich zeigten sich vibrationsbandenabhängige systematische Abweichungen
und Streuungen, die nicht auf das Experiment zurückgeführt werden können. Für einen
Großteil der Linien wurden Selbst- und Fremd-Linienformparameter wie Verbreiterung, ihre Geschwindigkeitsabhängigkeit
sowie Verschiebungsparameter bestimmt und mit den aktuellen Datenbanken
und jüngsten experimentellen Arbeiten verglichen. Aus Messungen mit hoher und niedriger
Temperatur wurden Parameter zur Beschreibung der Temperaturabhängigkeit der Linienparameter
abgeleitet. Die Temperaturabhängigkeit von Selbst- und Fremd-Linienformparametern wurde dabei
in vielen Fällen getrennt betrachtet.
Mit den ermittelten Parametern und HITRAN12 wurde eine neue Datenbank kompiliert, die zur
Validierung in der Auswertung atmosphärischer Messungen verwendet wurde. Als Testdaten wurden
bodengebundene Messungen in solarer Okkultation der Beobachtungsstellen in Kiruna (Nordschweden),
Karlsruhe und Izaña (Teneriffa, Spanien) gewählt. Die Retrievals wurden für vier breite
spektrale Fenster durchgeführt, wobei die Fitresiduen global um bis zu 53 % geringer ausfielen als
bei einer Auswertung unter Nutzung von HITRAN12.
Durch die in dieser Arbeit verbesserten bzw. gemessenen spektroskopischen Parameter von Wasserdampf
steht nun eine den Ansprüchen der bodengebundenen Fernerkundung entsprechende Datenbasis
für den betrachteten Spektralbereich zur Verfügung. Die ermittelten Parameter wurden in
die neue Datenbank HITRAN16 übernommen.

Remote sensing of the atmosphere in general and ground-based remote sensing in particular depend
on sufficiently accurate reference measurements of interaction of electromagnetic radiation
and atmospheric trace gases. Without knowledge of absorption quantities and their dependence on
pressure and temperature, analysis of atmospheric spectra is not feasable. For most atmospheric
species absorption line parameters are compiled in spectroscopic databases like HITRAN or GEISA.
Nevertheless, the accuracy and the underlying theoretical line shape model are not sufficient for
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remote sensing needs in many cases. Although it is one of the most intensively studied molecule,
this is especially true for water. This is not least due to the wide range of intensities of relevant lines
and the difficulty in measuring absorption spectra with low systematic errors.
The aim of this thesis is to provide an experimental database of water vapor absorption line
parameters for the use in the analysis of ground-based atmospheric spectra. Modern line shape
functions are used and statistical as well as systematic error sources are characterized and quantified.
The spectral range of interest is between 5.4 µm and 2.5 µm or 1850 cm–1 and 4000 cm–1. This
range is located between two strong water vapor absorption bands and is thus especially relevant
for ground-based remote sensing, being limited to atmospheric windows.
Measurements of water vapor absorption spectra were performed at the Remote Sensing Technology
Institute at the German Aerospace Center (DLR). A high-resolution Fourier transform spectrometer
was used. Because of the wide line intensity range two different absorption cells were
utilized. Using a short absorption path cell with an absorption path length of about 25 cm and a
multireflection cell with adjustable absorption path length, transmittance spectra were recorded for
pure water vapor as well as water/air-mixtures at ambient and high or low temperatures. Prior to
the measurements the multireflection cell was refurbished and the maximum absorption path length
was increased from about 85 m to over 200 m. Furthermore, the thermal concept was re-engineered
in order to optimize temperature accuracy and homogeneity inside the cell.
For analysis of the spectra a multispectrum fitting software was developed based on an existing
software designed for fitting single Fourier transform transmittance spectra. Different line shape
models including the Hartmann-Tran-Profile were implemented.
For analysis of the measurements a three-step procedure was applied. Pure water measurements,
water/air-mixture measurements at ambient temperature and water/air-mixture measurements at
high and low temperatures were analyzed consecutively. In order to model the spectra to the noise
level non-Voigt parameters like speed-dependence, the frequency of velocity changing collisions
(Dicke-effect) or line mixing had to be adjusted. For every fitted parameter a detailed error analysis
was performed.
Alltogether, line parameter of about 7000 absorption lines were fitted and compared to the databases
HITRAN12 and GEISA15 as well as independent experimental measurements and theoretical
calculations. For line intensities a remarkable agreement with ab initio calculations, mostly below
1 % was found. Systematic deviations and scatter specific to vibrational bands became apparent.
These deviation cannot be ascribed to the experiment. For most lines self- and air-broadening line
shape parameters like broadening, speed-dependence and shift parameters were obtained and
compared to current databases as well as recent experimental results. Temperature dependence of
line parameters was retrieved from measurements performed at high and low temperature. In most
cases self- and foreign-broeadening temperature dependences were considered separately.
Using the fitted parameters and HITRAN12 a new spectroscopic database was compiled and validated
by analysis of atmospheric measurements. For testing purposes, ground-based solar occultation
spectra measured at observation sites in Kiruna (northern Sweden), Karlsruhe and Izaña
(Tenerife, Spain) were chosen. Using four wide spectral windows retrievals were performed using
the new database and HITRAN12 for comparison. The fitting residuals could be reduced globally
by up to 53 %.
With the improved spectroscopic parameters of water vapor a database according to the needs of
ground-based remote sensing is now available in the spectral range covered. The retrieved parameters
are included in the new database HITRAN16.