KARL, the Koldewey Aerosol Raman Lidar

Ny-Ålesund in December

Lidar

When it is dark over Ny-Ålesund, a bright green laser beam can be seen quite often, shooting from the AWIPEV observatory towards the clear sky. This beam belongs to a LIDAR system, runned by the Alfred-Wegener-Institute in Potsdam for more than 25 years. With this instrument scientists investigate the atmosphere and look for thin clouds and aerosols, tiny particles floating in the air.

Aerosols are indispensable for the formation of clouds. Every water droplet within a cloud has accumulated around a tiny grain of “dust”. Clouds would only form at extremely high humidities if these cores did not exist. Scientists are most interested in the influence of aerosols on the cloud formation in the arctic. Clouds partly reflect sunlight as well as the outgoing heat radiation of the earth. Like this they affect the radiation balance and can lead to a temperature change on the surface. Therefore aerosols are an important factor for the understanding of our climate.

Aerosols are manifold: They can consist of soot or sulfates from volcano eruptions, bush fires or industries. Also fine sand dust, blown by winds from deserts or sea salt staying in the air after sea spray gets evaporated manifest as aerosols. In addition even bacterias or pollen grains represent aerosols. All these particles have a life time of several days or weeks depending on their size and residence altitude. During their stay in the atmosphere, particles are carried by winds far from their origin place. Whereas most particles can be found in lower air layers up to 10 km high, other aerosols from volcano eruptions can raise far up into the stratosphere and stay for months. Such an event was recorded by AWIPEV in 2009 after a volcano in Kamtschatka (eastern russia) has released a lot af ashes.

The following video made by NASA shows the concentration and movement of aerosols in the atmosphere, simulated on the base of real weather and aerosol data. The variability of their abundance is impressive:

NASA movie about the transport of aerosols (Official website)
NASA movie about the transport of aerosols (Youtube)

Although air is mostly very clear around the Arctic, winds can transport particles from middle latitudes towards north. This can lead to haze situations most common in spring. Forest fires in Canada caused such an arctic haze event in July 2015. Visibility had been drastically reduced and the far mountain tops had disappeared for two days almost completely. It is remarkable when air contains that much aerosols that sun rays are visible as above a recently cut cornfield on the mainland.

Haze over Kongsfjord
Haze over Kongsfjord
Soot in air
Soot in the air

 

 

 

 

 

 

 

 

In the winter research with KARL is rather focussed on polar stratospheric clouds (PSC). Such noctiluscent clouds can form during polar night in altitudes between 15 km and 25 km when a huge polar vortex keeps air trapped around the poles. This way the upper air mass can stay without sunlight for weeks and might cool down below -78 °C. Then sulfuric acid, nitric acid or water ice can condensate and form clouds. This influences the ozone chemistry and can lead to serious ozone depletion.

The working principle of a lidar is quite simple: It is pretty much the same as a radar, but laser light is used instead of radio waves. Each measurement starts with a very short light pulse, less than 10 billionth of a second long. This pulse is shooting towards the clear sky with speed of light. When it hits some aerosols, a part of it will be backscattered. It travels back and a tiny fraction of it is captured by the small telescope next to the laser soon after. It is guided through optical fibre and detected by photo multiplier tubes. The lidar system does not only register the intensity of the backradiation, but also the time between pulse emission and detection. The time is proportional to the altitude of the particles. A complete altitude profile is captured by listening to the signal at the photo detector for a while after each single pulse. All data are transferred to the Alfred Wegener Institute in Potsdam via Internet, where physicist Dr. Christoph Ritter analyzes it in detail.

Power measurement

 

Some facts about KARL:

  • The laser consumes a lot of energy: 30´000 Watt are used, as much as 500 60W light bulbes. Only 50 W are leaving the light source as radiation. All the rest is heat and has to be dissipated by the cooling system.
  • 50 W does not sound much, but it is a lot for a pulsed laser: If power was measured only during the very short pulse, it would be one tenth of the power of an average nuclear power plant! A commercial laser pointer must have less than 0.001 W power. As a consequence our laser beam is so strong that one single pulse would destroy the eyes retina immediately if one was looking straight into it. Therefore laser safety goggles are compulsory.
  • The laser beam has originally a diameter of 1 cm. It is widened up by a telescope to a diameter of 11 cm before it leaves the observatory. With this trick it widenes up less afterwards, stays longer in the narrow field of view of the telescope and measurements during daylight become possible.
  • A part of the infrared laser light is converted and when it leaves the instrument the beam consists of three wavelengths (colors): Ultraviolet (355 nm), green (532 nm) and infrared (1064 nm). Only the green color is visible to our eyes. From the relation of the backscatter in all colors the size of the aerosols can be estimated.
  • The laser light is polarized, i.e. only light waves oszillating in a certain direction are allowed. The polarization properties of the backscattered light can tell us something about the shape of the aerosols.
  • Thanks to the Raman effect also the nitrogen molecules of the air backscatter some light. Thereby some of the light energy is lost and the wavelength changes. KARL also takes measurements in these wavelengths. As a result, some further corrections become possible.
  • As the laser beam has to be parallel to the telescopes view, it is slightly tiltable.
  • KARL emits 50 pulses per second. Therefore the beam looks continuous to our eyes.

 

Gallery:

The “heart” of a LIDAR system is the YAG-Laser. The bulbs of the flash lamps wear down and have to be replaced two or three times a year. This is done by experienced engineers of IMPRES in Bremen. It is a difficult task because the laser has to be readjusted in perfection.

Readers comments (1)

  1. Keyvan Ranjbar

    Hi,

    I am PhD student and I am really interested in KARL data.
    I was wondering how I can have an access to the data?

    Best
    Keyvan

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KARL, das Koldewey Aerosol Raman Lidar

Ny-Ålesund im Dezember

LidarWenn es dunkel ist, kann man häufig über Ny-Ålesund einen hellen grünen Laserstrahl sehen, der vom AWIPEV-Observatorium gegen den Himmel schiesst. Der Laserstrahl gehört zu einem LIDAR-System, welches vom Alfred-Wegener-Institut in Potsdam seit den 90er Jahren betrieben wird. Damit wird an klaren Tagen die Atmosphäre nach dünnen Wolken und Aerosolen untersucht, kleinsten Schwebeteilchen in der Luft.

Aerosole sind wichtig für die Bildung von Wolken. Jedes Wassertröpfchen einer Wolke hat sich um ein kleines “Staub”körnchen herum gebildet. Ohne diesen Kern würden sich Wolken nur bei sehr hohen Luftfeuchtigkeiten entwickeln. Was die Forscher interessiert, ist die Art und Weise, wie das Vorhandensein der Aerosole die Wolkenbildung hier in der Arktis beeinflusst. Wolken reflektieren einen Teil des einfallenden Sonnenlichts und der ausgehenden Wärmestrahlung der Erde. D.h. sie beeinflussen die Strahlungsbilanz und können zur Erwärmung oder Abkühlung der Erdoberfläche beitragen. Daher sind sie für exakte Prognosen des Klimas relevant.

Aerosole können verschiedenen Ursprungs sein: Als Asche und Sulfate können sie durch Vulkanausbrüche, Buschfeuer oder die Schwerindustrie in die Atmosphäre gelangen. Sie können aus feinstem Sand bestehen und aus den Wüsten hergetragen worden sein. Auch Bakterien, Pollen oder durch die Gischt in die Luft gebrachte Salze sind Aerosole. Sie haben je nach Teilchengrösse und Aufenthaltshöhe unterschiedliche Verweilzeiten im Bereich mehrerer Tage bis Wochen. In dieser Zeit werden die Partikel mit den Winden von ihren Entstehungsorten weggetragen und über weite Strecken transportiert. Während einige Partikel eher in den unteren, wetterbestimmenden Luftschichten bis 10 km (Troposphäre) zu finden sind, können Aerosole von Vulkanausbrüchen auch weit hinauf in die Stratosphäre gelangen und dort über Monate ausharren. Das letzte Mal wurde am AWIPEV-Observatorium ein solches Ereignis 2009 gemessen. Damals stammten die Aerosole von einer Vulkaneruption in Kamtschatka.

Die folgenden beiden Links führen zu einem Video der NASA, welches die simulierte Konzentration und Bewegung von Aerosolen in der Luft zeigt. Es ist beeindruckend wie variabel diese sein können, zumal wir von den Transportvorgängen kaum etwas mitbekommen:
NASA Video zum Transport von Aerosolen (Offizielle Webseite)
NASA Video zum Transport von Aerosolen (Youtube)

Obwohl in der Arktis in der Regel verhältnismässig klare Luft herrscht, können also durch Winde Partikel aus mittleren Breiten nach Norden gelangen. Dies kann vor allem im Frühjahr zu dunstartigen Wetterverhältnissen führen, dem sogenannten “Artic Haze”. Vergangenen Sommer waren es die verheerenden Waldbrände in Kanada, welche für trübe Sicht sorgten und die Berge hinter Ny-Ålesund für zwei Tage verschwinden liessen. In der Arktis ist es aussergewöhnlich, wenn die Luft soviel Staub enthält, dass sich Lichtstrahlen der Sonne darin abzeichnen wie über einem frisch gemähten Kornfeld.

Dunst über dem Kongsfjord
Dunst über dem Kongsfjord
Aerosole in der Luft
Aerosole in der Luft

 

 

 

 

 

 

 

 

Während der Polarnacht sind es eher Polare Stratosphärische Wolken (PSC) nach denen mit KARL Ausschau gehalten wird. Solche Perlmuttwolken bilden sich in einem Höhenbereich von 15 bis 25 km. Es gibt sie in verschiedenen Formen. In der Arktis entstehen sie dann, wenn im Winter ein riesiger Polarwirbel die Luftmassen um den Nordpol gefangen hält. Die oberen Atmosphärenschichten sind dann über Wochen ohne Sonnenlicht und können auf Temperaturen unter -78 ° C abkühlen, Bedingungen bei denen sich dünne Wolken aus Schwefelsäure, Salpetersäure oder Wassereis ausbilden. Dies ist wichtig für die Ozonchemie und kann im Frühjahr zur massiven Reduktion der Ozonkonzentration führen.

Das Funktionsprinzip eines Lidars ist einfach zu verstehen: Es ist eine Art Radar, wobei man an Stelle von Radiowellen Laserlicht verwendet. Man sendet zu Beginn einen ganz kurzen Lichtpuls aus, weniger als 10 Milliardstel Sekunde lang. Dieser Puls schiesst mit Lichtgeschwindigkeit gegen den Himmel. Trifft der Strahl auf Aerosole, so wird ein kleiner Teil davon zurückgestreut. Dieser wird nach kurzer Zeit von einem kleinen Teleskop eingefangen und registriert. Das System misst nicht nur Art und Intensität des zurückgesandten Lichtes, sondern auch die Zeit zwischen Pulserzeugung und -registrierung. Diese ist proportional zur Höhe in der sich die Teilchen befinden. Indem man nach jedem Puls einen Moment lang das einfallende Licht misst, gewinnt man ein komplettes Höhenprofil. Alle anfallenden Daten werden via Internet abgeholt und am Alfred-Wegener-Institut in Potsdam vom Physiker Dr. Christoph Ritter ausgewertet.

Leistungsmessung

 

Wissenswertes über KARL:

  • Der Laser frisst ganz schön Energie: Zur Erzeugung des Strahles benötigt er 30’000 W Leistung, soviel wie rund 500 60W-Glühbirnen. “Nur” 50 W Leistung verlässt den Laser als Licht. Der Rest ist Abwärme und muss von der Kühlanlage abgeführt werden.
  • Für einen gepulsten Laser sind 50 W Lichtleistung sehr viel: Würde man die Leistung nur während des kurzen Pulses messen, läge sie bei einem Zehntel der Leistung eines Kernkraftwerks! Ein handelsüblicher Laserpointer darf maximal 0.001 W an Lichtleistung haben. Der Laserstrahl ist damit so stark, dass ein einziger Puls die Netzhaut der Augen komplett zerstören würde, blickte man direkt in den Strahl. Daher ist bei allen Arbeiten eine Laserschutzbrille erforderlich.
  • Wenn der Strahl aus dem Laser kommt hat er einen Durchmesser von 1 cm. Danach wird er auf 11 cm Durchmesser aufgeweitet bevor er das Observatorium verlässt. Er bleibt so länger im engen Bildfeld des Teleskops. Dank diesem Trick kann man auch über den Sommer bei Tageslicht messen.
  • Der Laserstrahl besteht aus drei Wellenlängen (Farben): Ultraviolett (355nm), Grün (532nm) und Infrarot (1064nm). Sehen kann unser Auge nur den grünen Anteil. Aus dem Verhältnis der Rückstreuung in den drei Farben lässt sich die Grösse der Teilchen abschätzen.
  • Der Laser sendet stark polarisiertes Licht aus, d.h. die Lichtwellen schwingen nur in einer Richtung. Über die Polarisationseigenschaften des rückgestreuten Lichtes kann man etwas über die Form der Aerosole aussagen.
  • Durch den Raman-Effekt streuen auch die Stickstoffmoleküle aus der Luft Licht zurück. Dabei geht diesem etwas Energie verloren und die Farbe ändert sich. KARL misst auch in solchen Wellenlängen, was gewisse Korrekturen ermöglicht.
  • Der Laserstrahl muss exakt senkrecht über dem Teleskop stehen und mit dessen Gesichtsfeld überlappen. Dazu ist er über Spiegel ein kleines Bisschen beweglich.
  • KARL sendet 50 Pulse pro Sekunde. Damit erscheint der Strahl dem Auge kontinuierlich.

 

Galerie:

Das “Herz” des LIDARS ist der YAG-Laser. Etwa zwei bis dreimal pro Jahr müssen an diesem die Blitzlampen gewechselt werden. Dies wird von erfahrenen Mitarbeitern der Firma IMPRES durchgeführt. Es ist ein trickiges Geschäft, denn der Laser muss nachher wieder perfekt justiert werden.

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