Lidar
Ein Lidar-Instrument enthält einen Sender, der aus einem gepulsten Hochleistungslaser besteht, sowie ein optisches Empfangssystem aus einem Empfangsteleskop und optischen Detektoren. Im Unterschied zu optischen Instrumenten ist ein Lidar also nicht auf eine externe Lichtquelle angewiesen und kann beispielsweise auch bei Nacht Messungen durchführen.
Aus der Zeitspanne, die zwischen dem Aussenden eines Laserpulses bis zum Empfang des rückgestreuten Lichtes vergeht, kann die Entfernung zwischen Instrument und Ziel bestimmt werden. Das Laserlicht kann dabei sowohl von festen oder flüssigen Objekten, wie etwa der. Erdoberfläche oder Wassertropfen, als auch von gasförmigen Bestandteilen der Erdatmosphäre zum Empfangsteleskop reflektiert werden.
Aus den Laufzeitmessungen enthält man auf direktem Wege ein Entfernungsprofil. Dies ermöglicht beispielweise die Messung von Gelände- und Eis-Höhen oder auch die Bestimmung der vertikalen Struktur von physikalischen Eigenschaften der Erdatmosphäre (Temperatur-, Luftdruck-, beziehungsweise Luftdichteprofile), Spurengaskonzentrationen, Aerosolschichten und Wolken. Hier liegt ein wesentlicher Vorteil des Lidar-Messprinzips gegenüber passiven optischen Instrumenten. Diese können Höhenprofile nur mit sehr viel geringerer Genauigkeit messen.
Intensität und spektrale Eigenschaften des zurück gestreuten Lichtes enthalten Informationen über die physikalischen Eigenschaften und die Zusammensetzung des reflektierenden Objekts. Mit dem Lidar-Messverfahren lassen sich so eine Vielzahl von wichtigen Parametern der Erdatmosphäre bestimmen, wie Temperatur, Luftdichte, oder Spurengaskonzentrationen.
Seit einiger Zeit finden Lidar-Instrumente zunehmend Anwendung in der satellitengestützten Erdbeobachtung. So befinden sich seit wenigen Jahren satellitengestützte Lidarinstrumente zur Bestimmung von Polareis- und Aerosol-Höhenprofilen in der Erdumlaufbahn (ICESAT, CALYPSO).
Der ESA-Lidarsatellit AEOLUS hat zwischen den Jahren 2018 und 2023 hochgenaue Horizontalwindprofile in der unteren Erdatmosphäre gemessen. Dabei wurde der so genannte Dopplereffekt genutzt. Durch die vom Wind verursachte Bewegung der Luft wird die Wellenlänge des gestreuten Laserlichtes verschoben. Diese Verschiebung wird gemessen und daraus die Windgeschwindigkeit berechnet. EUMETSAT, die europäische Agentur für die Nutzung meteorologischer Satelliten, hat mit Unterstützung der Europäischen Weltraumorganisation ESA mit dem Aubau eines Nachfolgesystems begonnen. Wissenschaftliche Anwenderinnen und Anwender, fordern außerdem weltraumgestützte Lidarsysteme zur Messung von Wasserdampf-, Kohlendioxid- und Methan-Profilen.
Derzeit befindet sich der deutsch-französische Kleinsatellit MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR Mission) in der Bauphase. MERLIN ist eine Klimamission zur Beobachtung des Treibhausgases Methan in der Erdatmosphäre. Mit einem LIDAR-Instrument soll MERLIN aus einer Höhe von rund 500 Kilometern das Treibhausgas in der Erdatmosphäre aufspüren und überwachen. Ziel der dreijährigen Mission ist unter anderem die Erstellung einer globalen Weltkarte der Methankonzentrationen. Außerdem soll die Mission Aufschluss darüber geben, in welchen Regionen der Erde Methan in die Atmosphäre eingebracht wird (Methanquellen) und in welchen Gebieten es ihr wieder entzogen wird (Methansenken).
Der Einsatz von Lidarsystemen im Weltraum stellt extrem hohe Anforderungen an die verwendeten Hochenergie-Laser, etwa hinsichtlich Betriebssicherheit und -dauer, Pulsenergie und Strahlqualität. Auch wenn bereits einige Systeme in der Umlaufbahn sind und sich weitere im Bau befinden, so besteht nach wie vor ein dringender Bedarf zur Weiterentwicklung dieser im Betrieb extrem hoch belasteten Systeme. Das DLR unterstützt daher gezielt die Entwicklung welttraumspezifischer gepulster Hochleistungslaser sowie anderer für den weltraumgestützten Lidareinsatz wichtiger Technologien.