Untersuchung der Zusammensetzung der Atmosphäre seit 1950 durch eine Analyse historischer solarer Absorptionsspektren im infraroten Spektralbereich

• Antragsteller: Professor Dr. Justus Notholt; Dr. Mathias Palm
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421869546

Die Untersuchung des Klimawandels erfordert langfristige Beobachtungen. Die passive Fernerkundung hat sich dabei als ein leistungsfähige Methode zur Untersuchung der Zusammensetzung der Atmosphäre bis etwa 60 km Höhe etabliert. Derartige Beobachtungen können vom Mikrowellenspektralbereich über das Infrarot bis ins UV/Vis durchgeführt werden. Messungen im infraroten Spektralbereich sind von hoher Relevanz, da dort viele Spurengase der Stratosphäre und Troposphäre nachgewiesen werden können. Seit etwa drei Jahrzehnten werden Infrarot-Beobachtungen mit FTIR-Spektrometern durchgeführt.Der hochalpine Standort am Jungfraujoch/Schweiz begann 1984 mit regelmäßigen FTIR-Beobachtungen. Bereits im geophysikalischen Jahr 1950/1951 wurden jedoch bahnbrechende Beobachtungen mit einem Gitterspektrometer zur Untersuchung der Erd- und Sonnenatmosphäre aufgenommen. Die entsprechenden Spektren für 1950/1951 sind auf ~ 80 Papierrollen verfügbar und decken insgesamt den Spektralbereich von 2,8 bis 23,7 um ab (entsprechend 422 bis 3571 cm-1). Weitere Gitterspektren sind als elektronische Dateien für den Zeitraum 1976-1989 verfügbar, sie decken jedoch nur schmale Spektralbereiche ab welche HCl, HF, N2O und CH4 abdecken. Da das Gitterspektrometer, wie auch die aktuellen FTIR-Spektrometer, vom Boden aus in Richtung Sonne im infraroten Spektralbereich misst, enthalten die Spektren auch die atmosphärischen Absorptionsmerkmale der Spurengase, wie die aktuellen FTIR-Spektren.Ziel unseres Projekts ist die Digitalisierung, Konservierung und Analyse der historischen Spektren, die 1950 und 1951 aufgenommen wurden. Dies soll zusammen mit einer Analyse der Spektren für den Zeitraum 1976-1989 erfolgen. Dies erlaubt es uns, die atmosphärische Zusammensetzung für einige Spurengase auf ihrem Hintergrundniveau zu untersuchen, bevor die Menschheit begann sie signifikant zu verändern, und ihre langfristige Entwicklung bis zur Gegenwart zu vermessen.Wir schlagen vor, die historischen Spektren für einige Spurengase zu analysieren. Selbst für jene Spurengase, die bereits in den historischen Spektren analysiert wurde, ist eine neue Auswertung aus zwei Gründen extrem wichtig. (i) die spektralen Daten haben sich aufgrund neuer Labormessungen und der Entwicklung der Molekülspektroskopie verbessert und (ii) die Auswertealgorithmen wurden aufgrund der Verfügbarkeit von schnellen Computern und Verbesserungen der Auswertesoftware signifikant weiterentwickelt.Die auszuwertenden Spurengase von Interesse beeinhalten CH4, N2O, CO, HCN, HNO3, C2H6, OCS und HCl. Für einige wenige Spurengase, wie HCl, kann die Auswertung aufgrund des geringen Signal-Rausch-Verhältnisses und der geringeren spektralen Auflösung der historischen Spektren schwierig sein. Aber selbst für diese Spurengase kann eine obere Grenze angegeben werden, was für die Untersuchung der langfristigen Änderung der atmosphärischen Zusammensetzung wichtig ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Großbritannien
• Kooperationspartner: Dr. Martyn Chipperfield; Dr. Emmanuel Mahieu