C. E. Blom, T. Gulde, C. Keim, W. Kimmig, C. Piesch, C. Sartorius, H. FischerInstitut für Meteorologie und KlimaforschungForschungszentrum Karlsruhe GmbH / Universität Karlsruhe

MIPAS-STR: Entwicklung eines Instrumentes für Stratosphärenflugzeuge

(FK 01LO9314)

Forschungszentrum KarlsruheTechnik und Umwelt

Abb. 1: 3-D-Darstellung des Optikmoduls. Aus Platzgründen ist die Optik in zwei Ebenen aufgebaut: die obere Ebene enthält die Scaneinheit und das Teleskop, in der unteren befindet sich das Interferometer.

Abb. 2: Lineare Darstellung des Strahlengangs durch MIPAS. Die IR-Strahlung gelangt vom Scanspiegel über das Teleskop zum Interferometer und wird dann zur Detektoreinheit geführt. Das FOV des Instruments wird durch die lHe gekühlten Blenden FS3 und AS3 definiert. Die Blenden AS1, FS1 und Streubleche reduzieren die Strahlung von außerhalb des FOV sowie die Streustrahlung, die in die Frontoptik gelangt. Die an den Rändern gebeugte Strahlung wird von der Lyot- und der FS2-Blende unterdrückt.

Abb. 4: Schematische Darstellung der Bordelektronik. Die Bordelektronik ist hierarchisch aufgebaut. Ein Transputernetzwerk verbindet den zentralen Rechner mit den intelligenten, unabhängigen Subsystemen. Der Zustand der Systeme wird durch Housekeeping- und Statusdaten beschrieben. Der Zugriff vom Zentralrechner aus ermöglicht vollständige Kontrolle während des Betriebes.

Abb. 3: Das aus Projektmitteln finanzierte Detektorsystem (teuer wie ein RR, aber abartig miniaturisiert). Die gesamte Fokalebene mit dichroitischen Strahlteilern, optischen Filtern, Si:As-Detektoren, Blenden usw. wird auf 4 K gekühlt (oben). Die Aufteilung in 4 Kanäle ist wegen der Erfassung von NO2 und NO (Kanal 3 und 4) notwendig, und erlaubt eine effiziente Datenreduktion.

Rechts: Schnittansicht der Detektoreinheit.

Im Rahmen des Vorhabens wird die Entwicklung eines MIPAS für Stratosphärenflugzeuge gefördert. Das Instrument wird erstmals im November 1998 auf dem russischen Träger M-55 Geophysica eingesetzt. Das Poster beschreibt das Gerät, die Synergie der Nutzlast der Geophysica und geplante Missionen.

Komponenten des Optikmoduls Scaneinheit: Der Scanspiegel wird mit Hilfe eines GPS-

gestützten Lagemeßstems (AHRS) so geregelt, daß dieSichtlinie stabil bleibt. Das AHRS wurde bereits im Winter 96/97auf der Geophysica eingesetzt.

3-Spiegelteleskop zur Streulichtunterdrückung DPI: Interferometer nach dem bewährten Doppelpendelprinzip,

jedoch mit zeitäquidistanter Abtastung. Kühlsystem: Das Optikmodul wird zur Reduzierung der

Eigenstrahlung und Verbesserung der NESR auf 200 K gekühlt.Das Kühlsystem besteht aus 10 miteinander verbundenenRöhren, die in der Isolationswanne integriert sind und mitinsgesamt 10 kg Trockeneis gefüllt werden. Der Druck in denRöhren wird während des Fluges auf 1000 hPa gehalten.

Detektoreinheit: siehe Abbildung 3.

Bordelektronik und Systemsteuerung Automatischer Betrieb des Instruments. Zentralrechner: Industrie-PC mit Standardschnittstellen. Transputernetzwerk zur Kommunikation mit den Subsystemen. UNIX-Betriebssystem (multi-user). Ethernet zur Anbindung der Bodenstation.

Die Bodenstation hat Zugriff auf den zentralen Rechner und alle Subsysteme. übergibt vor dem Start das aktuelle Meßprogramm. erlaubt die on-line Visualisierung sämtlicher Zustandsparameter

und das Auslesen der im Flug gespeicherten Daten.

Stabilität der Sichtlinie 1 arcmin (3 )Optischer Hub (2-seitig)spektrale Auflösung (nicht apodisiert)Strahlquerschnitt im DPIEtendueVorschubgeschwindigkeit

15 cm0.034 cm-1

50 mm2.6 x 10-3 cm2 sr3 cm/s

Detektortyp (Fläche)Gesichtsfeld (Field of view, FOV)SignalfrequenzenNoise-equvalent spectral radiance (NESR):- Kanal 1: 770 - 1000 cm-1 (10.0 - 13.0 m)- Kanal 2: 1200 - 1370 cm-1 (7.3 - 8.3 m)- Kanal 3: 1585 - 1645 cm-1 (6.1 - 6.3 m)- Kanal 4: 1845 - 1940 cm-1 (5.2 - 5.4 m)

Si:As (BIB) (1.6 x 1.6 mm2)0.44 (full cone)2.3 –5.8 kHz[W/(cm2 sr cm-1)]2,5 x 10-81,1 x 10-83,0 x 10-92,0 x 10-9

Temperatur u. Emissivität der Schwarzkörper (SK)SK1 im Optikmodul:SK2 in der oberen Isolation des OptikmodulsKalibriergenauigkeit (wellenzahlabhängig)

78 K (lN2 gekühlt), 0.997 (Hohlraum)ca. 230 K (floating), 0.98 (Platte)1-3%

Abtastfrequenz (zeitlich äquidistant)Abtastfrequenz (räumlich äquidistant interpoliert)Datenrate (4 Kanäle inkl. HK-Daten)

48.8 kHz (50 MHz / 1024)47.4 kHz50 kB/s

Haltezeit der Kühlmittel (lHe, lN2, Trockeneis) 20 Std.

elektr. Leistung (Versorgungsspannung)Masse (Optikmodul + Elektronik)

300 W (28 VDC)220 kg (160 kg + 60 kg)

Tabelle 1: Charakteristische Parameter des MIPAS-STR

Juni 1998

MIPAS-STR SAFIRE-A (1)Tracers, source gasesO3 A AO3 -isotopes ( 18O, 17O) - BHF - AN2O A ACFCl3 , CF2Cl2 A -CCl4 , CF4 , CHF2Cl B -H2O A AHDO B ACH4 A -OCS C -

NOyNO C C (?)NO2 B BN2O5 B -HNO3 A AClONO2 A -

ClyClO C (2) A (2)HCl - AClONO2 A -HOCl C B

HOxOH - A (2)HO2 - BH2O2 - B

BryHBr - CHOBr - C

A - Spezies die ‘einfach’ zu messensind mit Integrationszeiten proSpektrum von 10-60 Sekunden.

B - Wie A, jedoch Integrationszeitenpro Spektrum: 1-10 Minuten.

C - Schwierig zu messen oder längereIntegrationszeiten notwendig.

(1) Eine Auswahl kann simultangemessen werden.

(2) Nur bei speziellenatmosphärischen Bedingungenmeßbar.

Tabelle 2: Spurengase, die von MIPAS-STR und SAFIRE-A gemessen werden.

Abb. 5: Das Trägerflugzeug M-55 Geophysica. Links: Aufnahme in Pratica di Mare (November 1996); rechts: Zeichnung der M-55, mit der für MIPAS-STR gebauten ‘dorsal bay‘. Die Flughöhe der Geophysica beträgt 21 km, die Reichweite 3600 km.

Geplante Missionen 08.11.-08.12. 1998: Extensive Test Campaign (ETC)

von Forli, Italien. 15.09.-15.10.1999: Airborne Polar Experiment – Geophysica

Aircraft In Antarctica (APE-GAIA) von Feuerland, Südamerika.

2000: Envisat-Validierung.

Synergie der Nutzlast der Geophysica MIPAS-STR und SAFIRE-A (Fernerkundungsgeräte)

FT-Spektroskopie viele Substanzen simultan meßbar Emission Tags und Nachts einsetzbar,

einfache Routenplanung Horizontsondierung 2 km Vertikalauflösung unterhalb

der Flughöhe Aufwärtssondierung Säulengehalte und reduzierte

Vertikalinformation oberhalb der Flughöhe mittleres und fernes IR komplementäre Spezies

(s. Tabelle 2), Validierung der T-Profile Rotations-Schwingungs- und Rotations-Banden

Validierung der Spektroskopie MIPAS-STR und In-situ Geräte

Komplementäre Substanzen (z.B. ClO und BrO von HALOX) In-situ Beobachtung von kleinskaligen Strukturen (z.B. CH4

von HAGAR oder H2O von FISH) Abschätzung desFehlers, der durch räumliche Integration der MIPASBeobachtungen verursacht wird.