Seit Anbeginn der Zeit treibt den Menschen das Bestreben an, die Geheimnisse der Atmosphäre zu entschlüsseln. Im Vergleich zu herkömmlichen Wetterradargeräten (wie Doppler-Radargeräten) nutzt Lidar die Wechselwirkung zwischen Lasern und verschiedenen atmosphärischen Bestandteilen. Dadurch bietet es Beobachtungsmöglichkeiten, die weit über die konventioneller Radargeräte hinausgehen und es zu einem revolutionären Werkzeug in der Meteorologie machen. Durch das Aussenden extrem reiner, konzentrierter Laserstrahlen in die Atmosphäre und das „Dekodieren“ der schwachen reflektierten Lichtsignale hat es unser Verständnis der mikroskopischen Struktur und Zusammensetzung der Atmosphäre erheblich verbessert und die kognitiven Dimensionen der modernen Meteorologie bereichert.

Laser haben in diesem Bereich aufgrund ihrer drei Haupteigenschaften bemerkenswerte Fortschritte erzielt:

1. Hohe Monochromasie: Laserlicht ist von extrem reiner Farbe und besitzt eine nahezu einheitliche Wellenlänge. Dadurch kann es an bestimmten atmosphärischen Molekülen oder Aerosolpartikeln resonant gestreut werden – vergleichbar mit einem präzise gefertigten „Schlüssel“, der das entsprechende „Schloss“ erkennt – und erhält so die außergewöhnliche Fähigkeit, die Materialzusammensetzung zu bestimmen.

2. Hohe Richtwirkung: Laserstrahlen weisen extrem enge Divergenzwinkel und eine hohe Energiekonzentration auf, was eine präzise Zielerfassung bestimmter Bereiche ermöglicht. Ihre räumliche Auflösung übertrifft die von Mikrowellenradar bei Weitem.

3. Hohe Helligkeit: Laser setzen in extrem kurzer Zeit immense Energie frei. Dadurch können sie selbst nach langer Übertragung und schwacher Rückstreuung von empfindlichen Sensoren erfasst werden.

Aufgrund der zuvor genannten Vorteile spielen Laser eine entscheidende Rolle bei den folgenden meteorologischen Beobachtungen:

1. Detaillierte Erfassung vertikaler Aerosol- und Wolkenstrukturen

Dies stellt die klassischste Anwendung von Lidar dar. Wenn Laserstrahlen auf Aerosolpartikel wie Staub, Rauch und in der Luft schwebende Schadstoffe sowie auf Wolkentröpfchen treffen, erfahren sie Mie-Streuung. Durch die Analyse der Intensität und des Zeitpunkts der Echosignale ist es möglich:

♦ Genaue Kartierung vertikaler Aerosolprofile vom Boden bis in große Höhen, wodurch die Verfolgung des Staubsturmtransports, die Überwachung der Dunstbildung und -auflösung sowie die Beurteilung der Luftqualität durch Bestimmung der Verteilung und Konzentration primärer Luftschadstoffe ermöglicht werden.

♦ Durch die Bereitstellung detaillierterer vertikaler Wolkenprofile als Wolkenhöhenmesser ermöglicht es die Auflösung mehrschichtiger dünner Wolkenstrukturen, was für die Flugsicherheit und die Klimaforschung von entscheidender Bedeutung ist.

2. Überwachung des atmosphärischen Windfelds

Durch die Beleuchtung sich bewegender Aerosole in der Atmosphäre mit Laserstrahlen lassen sich präzise Messungen der Windgeschwindigkeit und -richtung über Doppler-Frequenzverschiebungen in den reflektierten Signalen erzielen.

3. Quantitative Analyse der atmosphärischen Komponenten

Mithilfe der differentiellen Absorptions-Lidar-Technologie kann ein Laser gleichzeitig zwei Laserstrahlen mit nahezu identischen Wellenlängen aussenden. Eine Wellenlänge wird von bestimmten Gasmolekülen (wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon) stark absorbiert, die andere hingegen kaum. Durch den Vergleich der beiden Echosignale lässt sich die vertikale Verteilung der Gaskonzentration bestimmen.

4. Überwachung von Treibhausgasen und Schadstoffen

Durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien wie DIAL ermöglicht Lidar die Fernerkundung von atmosphärischen Gasen mit signifikanter Treibhauswirkung – darunter Methan und Kohlendioxid – sowie von primären Schadstoffen wie Schwefeldioxid und Stickoxiden. Diese Technologie erzeugt dreidimensionale Verteilungskarten und liefert so wichtige Daten und Erkenntnisse für das Umweltmanagement und die Klimaforschung.

Mit der zunehmenden Verbreitung der Lidar-Technologie und der Erweiterung ihrer Anwendungsbereiche ermöglicht ihre Integration mit herkömmlichen meteorologischen Radargeräten nicht nur eine umfassendere Erfassung mehrerer atmosphärischer Parameter, sondern vertieft auch unser Verständnis des Klimasystems.

RealLight‘s  Der 2-ns-Mikrochip-Laser der MCA-R-Serie Das integrierte Design kombiniert das diodengepumpte Modul mit dem Laserkristall. Dieser kompakte Laserkopf ermöglicht eine einfache Installation und Integration und bietet überragende Leistung in miniaturisierten meteorologischen Radaranwendungen.

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