哦大气光测量温度

十红外光谱仪控制(地面红外p-branch光谱仪)是德国遥感数据中心运营过程)的德国航空航天中心(DLR)常规监测产生的所谓的大气光降低热大气层或上层中间层。在这个地区,原子与臭氧反应产生羟基氢分子和氧气分子:

O₃+ H→O₂+哦* (+ 3.32 ev)

这个放热反应产生的剩余能量转化为振动和旋转励磁的哦——分子(*)。这些哦*分子形成一个8公里厚层峰海拔约87公里。

当这些分子回到基态时,它们释放的红外辐射光谱区ca之间。710和2500海里。这个哦*大气光在夜空中最亮的现象(Leinert et al ., 1998),作为其10之间的亮度变化⁶4,打败Wm²老^{- 1}。

低能量转换是在当地的热力学平衡与周围的气氛,因为哦*的失活发生大量连续过渡的转动和振动荷载。当多个旋转线的强度在同一振动测量分支,转动温度可以作为一个估计量的动态温度高。

德国遥感数据中心进行了测量,造成全球网络中气层顶变化的检测(世),一个程序,支持国际间的合作研究中气层顶地区(80到100公里)的早期检测不同气候信号。

在所有时间尺度大气动力学的分析仍然是一个重要的主题中层大气研究的科学兴趣。这包括不同大气波的特征和气候趋势多年的研究。

根据他们的本性,大气电波分为次声的重力,与行星波。他们典型的时间跨度从几分钟到几个小时大气重力波,从几天到几周行星波,不到5分钟次声的波(例如Bittner和皮尔格,2009)。

实验装置

在1940年代末,Meinel(1950)依赖超过40小时的曝光时间为他的发现大气光现象。相比之下,高的组合孔径多色器(和或三叶草163)和一个InGaAs-array检测器(和或iDus du490a - 1.7)使曝光低至10到15秒。

这时间分辨率远高于与早些时候获得扫描光谱仪配备液态氮冷却超低噪音锗光电二极管。iDus du490a - 1.7的热电冷却系统提供了一个主要好处相比,液态氮冷却系统的坚固和维护的需要。因此,德国遥感数据中心目前使用的光谱仪,结合iDus du490a - 1.7。

探测器的温度与Exos-2高效稳定的水再循环装置,即使在温暖环境+ 30°C以上的。在常规监测、光栅定位在一个永久的角,脱落的光谱范围从1500到512像素InGaAs-array 1600海里。

虽然在某些特殊入口光学结合控制仪器,其他人只是装载在一个向上的方向来监控夜空(图。1)。三叶草的焦距比数163 (F / # = 3.7)决定了他们的视野。

图1所示。设置控制6仪器Oberpfaffenhofen德国遥感数据中心(48.09°N / 11.28°E)。仪器由一个和或三叶草163非摄谱仪,一个和或iDus du490a - 1.7光电二极管阵列(部分隐藏在摄谱仪和filterwheel),由深的PS-25电源冷却温度结合Exos-2水再循环装置。笔记本电脑显示15秒曝光1500 nm和1600 nm之间的哦nightglow获得与和或索利斯软件。

关于大气光观察,最关键的应用iDus du490a - 1.7是探测器的暗电流,一个数量级大于记录大气光信号。这些暗电流保持非常稳定的整个晚上,能够准确的测量发射谱线的强度。

结果与讨论

iDus du490a - 1.7是第一个集成控制5和抓住6系统2008年10月和2009年1月,分别。此后,仪器一直在做常规测量几乎所有的夜晚。

直到2011年4月,抓住6仪器已经使用超过750天7小时的相机记录数据(夏天)每晚15个小时(冬天)。在这两年期间,没有重大变化的系统的响应率。

此外,系统维护要求也允许远程操作的光谱仪位于偏远地区,如北极中层大气研究激光雷达观测站(ALOMAR, 69.28°N / 16.01°E)在挪威(图2)和环境研究站“Schneefernerhaus”(47.42°N / 10.98°E),位于德国最高的山峰Zugspitze。

在欧洲,新观测站点正在准备。数据获得使用这些系统可以几乎实时访问通过世界数据中心的遥感大气(WDC-RSAT)。

图2。左边的面板显示了控制5工具部署在环境研究车站“Schneefernerhaus”(47.42°N / 10.98°E),位于海拔2650米在德国最高的山峰Zugspitze。右面板显示的设置控制9仪器圆顶下的屋顶上的北极中层大气研究激光雷达观测站(ALOMAR, 69.28°N / 16.01°E)在挪威冬季2010/2011。

图3描述了一个标准光谱获得使用握8 15秒曝光时间在夜间从5^th2011年2月到6^th2011年2月,在环境研究站“Schneefernerhaus”。在图3中,强度计算提供了检索的iDus du490a - 1.7用于高灵敏度模式在- 60°C检测器温度和15秒曝光时间。

每像素5000计数的暗电流也取消了。的三个P1-lines哦(3 - 1)分支用来测量旋转温度。这个特定的光谱创造了213.6 K±3.5 K的温度。信噪比很高的这种测量的不确定性估计这个比例。

为了比较,光子通量约5000的光子^{- 1}arcsec-2µm m - 2¹最大的两个Q-branches (Leinert et al ., 1998)。仪器的视野是大约15°角。

图3。中等分辨率哦* 1500 nm和1600 nm之间大气光频谱;原OH-line宽度小于0.01纳米。的频谱得到iDus du490a - 1.7探测器安装在三叶草与狭缝宽度设置为250µm 163。

在常规监测、单个光谱获得每隔15秒。光谱获得的数量在每个晚上跨度从1800年(夏天)到3600(冬季)观测站点位于德国和5000光谱获得冬季在ALOMAR (69.28°N / 16.01°E)位于挪威。

图4显示了夜间的进化哦*强度和旋转温度为6月27日的晚上^th至28日^th2010,同时记录在两个站点位于德国南部。两个系统观察转动温度和大气光强度相对强劲的振荡。

必须指出的温度和强度构成独立的大气光观测参数;温度不依赖绝对强度,只有在相对强度。因此,振动的强度和温度通常不是在阶段。

图4。同时测量与控制执行6仪器Oberpfaffenhofen(红色)和与控制7 Schneefernerhaus(蓝色),在德国南部。领域的观点中气层顶地区大约是200公里。

在图4中,较低的面板显示相应的大气光强度差异在两个站点和上部面板显示的进化一分钟旋转温度的平均值。黑色的曲线代表的主导振荡,恢复通过应用谐波分析和光谱分析的数据。

在这个夜晚,波活动大大不同两站。2.2小时(重力)波,在强度差异明显观察到Schneefernerhaus(较低的面板中,蓝色),还可以看到在数据获得Oberpfaffenhofen(低,面板红色),虽然其振幅减少超过60%。

图5描述了夜间的进化意味着值作为观察Oberpfaffenhofen从1月29日的开始^th4月4日,2009年^th,2011年。

图5。年初以来,夜间OH-airglow平均气温的测量Oberpfaffenhofen 1月29日^th,2009年。629夜(完整的观察时间的80%)夜间平均值是成功地检索,只有一小部分损失是由于坏天气。由于大量的高时间分辨率光谱有助于夜间意味着导致统计的不确定性,为每一个值小于1 K。注意,上层大气剩余环流导致在夏季低温和高温在冬天。强每天变化主要是由所谓的行星波引起的。

结论

由于系统的性能优良,夜间的平均气温为80%的夜晚成功恢复。这是一个mid-altitude观测站点的特殊价值。

优秀的时间范围是由于高时间分辨率,利用云覆盖的微小差距获得足够的数据代表每夜的意思。这是即使在晚上相对贫穷的能见度条件下实现。

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