DIAL ‒ Lidarsystem für Wasserdampfprofile
Neben seiner Eigenschaft als Klimagas ist Wasserdampf das Transportmedium für Energie in der Atmosphäre. Die bei der Verdunstung von Wasser eingesetzte Wärme wird bei der Kondensation des Wasserdampfs, z.B. bei der Wolkenbildung wieder frei. Diese latente Wärme kann über tausende Kilometer transportiert werden kann und Extremwetterereignisse mit erheblichen Niederschlagsmengen verursachen. Der maximale Gehalt an Wasserdampf in der Atmosphäre hängt vor allem von der Temperatur ab. In Bodennähe und in wärmeren Regionen (Tropen) kann in der Luft deutlich mehr Wasserdampf vorhanden sein als in größeren Höhen und in Polarregionen. Durch den Klimawandel können Extremereignisse daher an Intensität zunehmen.
Wasserdampf in der Atmosphäre unterliegt sowohl horizontal als auch vertikal einer großen Variabilität. Die genaue Kenntnis über die Verteilung und den Transport von Wasserdampf in der Atmosphäre ist daher wesentliche Grundlage für die Wettervorhersage und Klimaforschung. Während die Messung in Bodennähe mit in situ Verfahren z.B. mit Hygrometern oder Psychrometern einfach durchzuführen ist sind die Messung in größerer Höhe oberhalb des Erdbodens schwierig. Ballongetragene Radiosonden können die Feuchte nur in größeren zeitlichen Abständen messen.
Anfang 2024 wurde der KITcube um fünf neuartige Differential Absorption Lidar (DIAL) Wasserdampfprofiler erweitert, welche mit einem Laserverfahren die Vertikalverteilung des Wasserdampfs in den untersten vier Kilometern der Atmosphäre messen. Beim DIAL-Messverfahren werden dazu zwei leicht verschiedene Wellenlängen vertikal in die Atmosphäre gesendet von denen nur eine vom den Wassermolekülen absorbiert wird. Die Menge an Wasserdampf wird aus der Signaldifferenz des vom selben Gerät wieder empfangenen, zurückgestreuten Laserlichts bestimmt. Die zugehörige Messhöhe ergibt sich aus der Laufzeit des Laserlichts.
In der folgenden Abbildung sind die Wasserdampfmessungen vom 14. Mai dargestellt. Man erkennt gut die große Variabilität der Wasserdampfkonzentration sowohl mit der Höhe als auch mit der Zeit. Ab ca. 08:30 UTC wird das am Boden, überwiegend von Pflanzen verdunstete Wasser durch Konvektion immer höher transportiert und erreicht um 12:00 UTC eine Höhe von 2000 m. Kleinere Wolken erkennt man um 14:30 UTC in ca. 2200 m Höhe durch hohen Wasserdampfkonzentrationen. Diese bis dorthin reichende feuchtere Schicht ist die atmosphärische Grenzsicht, die in direktem Austausch mit der Bodenoberfläche steht. Die schwarze Linie in der Abbildung stellt die maximale Höhe, bis zu der zuverlässige Messungen möglich sind, dar. Eine Schwäche der damals verwendeten Firmware zeigt sich im Übergangsbereich von zwei Messzonen des Geräts knapp unter 500 m Höhe.
