Der Mond als Infrarotstrahlungsquelle für ein bodengebundenes Fourierspektrometer: Messung, Kalibrierung und Auswertung atmosphärischer Absorptionsspektren

Im Winter 1995/96 wurde der Mond zusätzlich zur Sonne als Infrarotstrahlungsquelle zur Messung atmosphärischer Absorptionsspektren mit einem bodengebundenen Fourierspektrometer vom Typ Bruker IFS 120 M genutzt, das in der Nähe von Kiruna in Nordschweden betrieben wurde. Dabei wurden im kurzwelligen Spektralbereich eine InSb (Indiumantimonid)-Photodiode (1,8 µm - 3,7 µm) und im langwelligen Bereich ein MCT (Mercury-Cadmium-Telluride-Legierung)-Photoleiter (9 µm \- 14 µm) als Infrarotdetektoren verwendet.
Aus der Untersuchung der lunaren Strahlungscharakteristik wurde abgeleitet, daß die empfangene lunare Strahldichte im MCT-Spektralbereich um einen Faktor von ca. ... mehr10-2 und im InSb-Spektralbereich um einen Faktor von ca. 10-5 kleiner ist als die solare Strahldichte. Die dadurch auftretenden Schwierigkeiten erforderten apparative Veränderungen des Instrumentes, um ein zur Auswertung ausreichendes Signal-zu-Rauschverhältnis der Mondspektren zu gewährleisten. Dazu wurde ein signalrauschbegrenzter InSb-Detektor in Verbindung mit einem gekühlten optischen Kurzpass-Filter und einem Vorverstärker mit sehr hohem Verstärkungsfaktor benutzt. Das Detektorfenster des MCT-Detektors wurde zur Erhöhung der Transmission durch ein optisches Breitbandfilter ersetzt.
In den gemessenen lunaren MCT-Spektren wurde ein Untergrund beobachtet, der auf die thermische Eigenstrahlung des Instrumentes und die thermische atmosphärische Emission zurückzuführen war. Um den instrumentellen Eigenstrahlungsuntergrund zu eliminieren, wurden die MCT-Spektren radiometrisch kalibriert. Dazu wurde eine komplexe Zweipunkt-Kalibriermethode angewandt, die einen kalten und einen warmen Schwarzkörper als Referenzquellen benötigt. Diese Methode berücksichtigt die unterschiedlichen Phasen der Eigenstrahlung und der Strahlung der externen Quellen durch Verwendung komplexer Spektren. Als kalter Schwarzkörper wurde ein mit flüssigem Stickstoff gekühlter Hohlraumstrahler mit einer speziellen Schwarzlackbeschichtung mit sehr hohem Emissionsvermögen entwickelt. Die kalibrierten Spektren zeigten eine gute Übereinstimmung mit der berechneten extraterrestrischen lunaren Strahldichte und der Strahldichte der thermischen Emission von troposphärischem CO2.
Das Signal-zu-Rauschverhältnis im InSb-Spektralbereich konnte weiter verbessert werden, indem mehrere hintereinander gemessene Spektren kalibriert und als Transmissionsspektren mit ihren jeweiligen Luftmassenfaktoren gewichtet gemittelt wurden. Da im InSb-Bereich kein spektraler Untergrund vorhanden war, konnte das gemittelte Ergebnisspektrum als Transmissionsspektrum ausgewertet werden.
Zur Auswertung wurde das Programmpaket RAT in Verbindung mit dem Vorwärtsmodell SCAIS benutzt, das die Strahlungsübertragung in der Atmosphäre berechnet und somit auch den Untergrund aufgrund der atmosphärischen Emission in den kalibrierten MCT-Spektren berücksichtigt. Im MCT-Spektralbereich wurden die Spurengase O3, HNO3, ClONO2 und FCKW12 (F12) und im InSb-Bereich H2O, HDO, N2O, CH4, HCl und HF ausgewertet. Außerdem wurden für jedes Gas ausführliche Fehlerrechnungen durchgeführt. Die Fehler waren für alle Gase größer als bei Sonnenmessungen. Die größten Fehler ergaben sich bei den Spurengasen mit schwachen Absorptionssignaturen wie ClONO2, HCl und HF.
Die Auswerteergebnisse der lunaren Spektren wurden sowohl im InSb- als auch im MCT-Spektralbereich mit den Ergebnissen solarer Spektren verglichen, die am gleichen Tag gemessen wurden. Dabei ergaben sich für dynamisch und chemisch langsam veränderliche Spurengase gute Übereinstimmungen der bestimmten Zenitsäulengehalte, die innerhalb der berechneten Fehlergrenzen der Mondmessungen lagen. Folglich konnten unbekannte systematische Fehlerquellen bei der Kalibrierung und Auswertung der Mondspektren ausgeschlossen werden.
Aus den Vergleichen mit den Ergebnissen aus Sonnenmessungen Anfang Februar 1996 konnten signifikante Tag-Nacht-Variationen der Spurengase H2O, HDO, O3 und HNO3 festgestellt werden. H2O und HDO zeigten einen tagsüber um ca. 10% erhöhten Säulengehalt, der auf Verdunstungsprozesse zurückgeführt werden konnte. Für die Variationen von O3 um ca. 13 % und HNO3 um ca. 18 % steht eine eindeutige Erklärung noch aus.
Mit dem Mond als Strahlungsquelle kann die Polarnacht, die in Kiruna von Mitte November bis Mitte Januar dauert, überbrückt werden. Dabei können die in der Polarnacht ablaufenden Prozesse studiert werden. So konnten im Winter 1995/96 Hinweise für eine sehr frühe Aktivierung von Chlor aufgrund von chemischen Prozessen an Oberflächen von polaren Stratosphärenwolken bereits während der Vollmondphase Anfang Dezember 1995 gefunden werden.

The Moon as an infrared radiation source for a ground-based Fourier spectrometer: measurement, calibration and evaluation of atmospheric absorption spectra
In winter 1995/1996 the Moon has been used in addition to the Sun as an infrared source of radiation to measure atmospheric absorption spectra with the ground-based Fourier transform spectrometer Bruker IFS 120 M located near Kiruna in northern Sweden. A long- and a short-wave detector channel was applied using an InSb (Indium Antimonide) photovoltaic (1,8 µm - 3,7 µm) and a MCT (Mercury-Cadmium-Telluride-alloy) photoconductive (9 µm - 14 µm) detector element.
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The investigation of the properties of the lunar radiation yielded a detected lunar radiance that is a factor of approximately 10-2 smaller than the solar radiance within the MCT spectral region while a factor of approximately 10-5 is found within the InSb spectral region. The resulting problems required instrumental changes to guarantee a sufficiant signal-to-noise ratio to evaluate the lunar spectra. For that purpose, a signal noise limited InSb detector was used in combination with a cooled optical short-pass filter and a high gain preamplifier. The detector window of the MCT detector was replaced by an optical broad-band filter to increase the transmission.
An offset was observed in the measured lunar MCT spectra that was attributed to the thermal self-emission of the instrument and the thermal atmospheric emission. In order to eliminate the instrumental offset the MCT spectra were radiometrically calibrated. For this purpose, a complex two-point calibration method was applied by using a cold and a warm blackbody as reference sources. This method takes into account the different phases of the self-emission and the radiation of the external sources by using complex spectra. A liquid-nitrogen-cooled cavity radiator coated with a special high-emissivity spray paint was developed and used as cold blackbody reference. The calibrated spectra showed a good agreement to the computed extraterrestrial lunar radiance and the radiance of the thermal emission of tropospheric CO2.
The signal-to-noise-ratio of the InSb spectral region could be further improved by calibrating some successively measured spectra and by averaging them as transmission spectra weighted with their respective air mass factors. The resulting averaged spectrum could be evaluated as transmission spectrum because there was no spectral offset within the InSb region.
To evaluate the spectra the code RAT was used in combination with the forward model SCAIS that is computing the atmospheric radiation transport. Therefore, this code is considering the offset due to atmospheric emission in the calibrated MCT spectra. The trace gases CFC12, O3, HNO3, and ClONO2 were evaluated within the MCT spectral region while H2O, HDO, CH4, N2O, HCl, and HF were evaluated within the InSb spectral region. Besides, a detailed error estimation was carried out for every gas. The errors in lunar measurements were generally greater than those found in solar measurements. The highest uncertainties were resulting for the trace gases with weak absorption signatures as ClONO2, HCl, and HF.
For both the InSb and the MCT spectral region the evaluated results of the lunar spectra were compared with the results of solar spectra measured at the same day. In doing so, the determined column amounts of dynamica