Ozonmessung mit GOME
(Global Ozone Monitoring Experiment)

von
Dipl.-Met. Günter Rampe




1. Der Satellit ERS-2
2. Das Messinstrument GOME
3. Die Produkte


1. Der Satellit ERS-2
ERS-2 ist die Abkürzung von "Second European Remote Sensing Satellite". Der Satellit wurde von der European Space Agency (ESA) gebaut und am 21. April 1995 gestartet.

ERS-2 fliegt in einer sonnensychronen Bahn in einer Höhe von 780 km um die Erde; ein Umlauf dauert 100 Minuten, wobei ein Streifen von 960 km Breite erfaßt wird. Um 10.30 Uhr Ortszeit überquert der Satellit von Norden kommend den Äquator.

Die Daten werden nach jedem Umlauf zu Bodenstationen gesendet und gelangen von dort nach Deutschland. Kiruna (Schweden) erfaßt die Satellitendaten von 10 Umläufen. Die restliche 4 Umläufe werden aufgenommen von Gatineau, Prince Albert (beide in Kanada) und Maspalomas (Spanien).

Infolge eines Tape Drive Ausfalls lieferte der Satellit seit dem 22. Juni 2003 nur noch Daten, wenn er in das Sichtfeld einer Bodenstation kam

Am 19. Oktober 2006 wurde mit GOME-2 der Nachfolger von GOME mit dem Satelliten MetOp-A gestartet. GOME-2 hat eine höhere räumliche und spektrale Auflösung als sein Vorgänger und ergänzt die Daten von SBUV/2.

2. Das Messinstrument GOME
GOME mißt die gesamte Ozonkonzentration in einer Luftsäule mit dem Querschnitt 40 km x 40 km. Das Gerät ist ein Absorptions-Spektrometer: Im Prinzip wird gemessen, wieviel Sonnenenergie das Ozon in verschiedenen Wellenlängenbereichen verschluckt; daraus ergibt sich seine Konzentration.

Während bei den bodengebundenen Verfahren wie DOBSON die Sonnenstrahlung nur einmal durch die Ozonschicht geschwächt wird, messen die Satelliten die von der Atmosphäre, den Wolken und der Erde gestreute bzw. reflektierte Strahlung - dabei muß die Strahlung nochmal durch die Ozonschicht und wird deshalb insgesamt zweimal geschwächt.

Im UV- und sichtbaren Licht absorbiert das Ozon die Sonnenergie in bestimmten Wellenlängen-Bereichen, die man "Banden" nennt: Hartley-, Huggins- und Chappius-Banden. Die Atmosphäre streut einen Teil des Sonnenlichts in den Weltraum, wobei natürlich die Strahlung im Bereich der Ozonbanden stark geschwächt ist.

Der Satellit mißt diese gestreute und zusätzlich die ungeschwächte Sonnenstrahlung (genauer: er mißt die Energie, die jede Wellenlänge hat. Diese Energieverteilung auf die Wellenlängen nennt man Strahlungsspektrum).

Im Gegensatz zu TOMS, das nur 6 Wellenlängen mißt, erfaßt GOME das ganze Spektrum.

Aus den beiden Strahlungsverteilungen wird nun die Differenz gebildet nach dem an der Uni Heidelberg entwickelten Verfahren DOAS (Differentielle Optische Absorptions-Spektroskopie). Das so erhaltene differentielle Spektrum wird anschließend verglichen mit dem im Labor bestimmten typischen Ozon-Spektrum. Daraus ergibt sich die Ozon-Konzentration.

DOAS ist ein besseres Verfahren als die andere Satelliten-Methoden TOMS.


3. Die Produkte
Nach einem Tag ist die Erde nicht vollständig vermessen (blaue Bereiche in untenstehender Grafik). Nach zwei Tagen sieht es schon besser aus, und erst nach drei Tagen liegt eine vollständige Ozonverteilung vor:

Nach dem ersten Tag
Nach dem zweiten Tag
Nach dem dritten Tag
(Bildquellen: KNMI)


Eine vollständige Ozonmessung liegt erst nach dem dritten Tag vor. Solange will man natürlich nicht warten, zumal auch atmosphärische Zirkulationen die Ozonverteilung zwischenzeitlich beeinflussen. Deshalb stehen die Ozondaten bereits drei bis sechs Stunden nach dem Empfang zur Verfügung.

Die globale Ozonverteilung nach einem Tag sieht so aus:

(Bildquelle: KNMI)

Diese Darstellung ist vorwiegend für Experten bestimmt. Damit auch andere damit etwas anfangen können, werden die Daten weiter verarbeitet. Dazu benutzt man die Erkenntnis, daß die Ozonverteilung hauptsächlich von Luftströmungen in der Atmosphäre beeinflußt wird. Was liegt da näher, als ein entsprechendes Atmosphärenmodell mit den Ozonmessungen zu verbinden?

Verwendet man in dem Modell ein bestimmtes Verfahren, die Harmonische Analyse, so ergibt sich eine globale Verteilung des mittleres Ozongehalts für jede Tag.


(Bildquelle: DLR)

Ein Ausschnitt ist die Verteilung über Europa:

(Bildquelle: DLR)

Viele Forscher benötigen die Ozonverteilung über Europa von bestimmten Tageszeiten . Statt der Harmonischen Analyse nimmt man deshalb die Kalman-Filter Technik:

(Bildquelle: DLR)

Eine Variante verwendet der niederländische Wetterdienst KNMI. Hier kommt ein Ausbreitungsmodell zum Einsatz (ein Ausbreitungsmodell berechnet die Konzentrationsverteilung eines Gases in Abhängigkeit von der Luftströmung). Verbunden wird das mit einem Chemie-Modell des Ozons (das beschreibt Entstehung und Zerfall von Ozon). In dieses Kombi-Modell fließen ständig die Ozondaten von GOME ein. Dieses Verfahren heißt "Datenassimilation".

Hier ist schematisch dargestellt, wie die Datenlücken zwischen zwei Umlaufbahnen über die Datenassimilation gefüllt werden.
(Bildquelle: KNMI)

Zu einem beliebigen Zeitpunkt (meist für 12 UTC) wird dann die globale Ozonverteilung veröffentlicht:

(Bildquelle: KNMI)

Die bisherigen Verfahren liefern jeweils den Gesamtozongehalt, entweder als Tagesmittel oder zu einem bestimmten Zeitpunkt. Über eine weitere Methode ergibt sich zusätzlich eine vertikale Verteilung des Ozons. Auch hier wird ein Chemie-Modell mit einem Ausbreitungsmodell kombiniert. Der Unterschied zum Verfahren nach KNMI besteht darin, daß hier das Ausbreitungsmodell dreidimenisonal ist (es muß ja die Höhe mit einbezogen werden); bei der KNMI-Methode genügt dagegenein zweidimensionales Modell.

Ozonverteilung in einer Höhe, der ein Luftdruck von 3,16 hPa entspricht.
(Bildquelle: DLR)