Sternphotometer SP STP

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 SP starphotometer STP09 with Losmandy G11Einleitung

Aerosole spielen eine entscheidende Rolle bei Strahlungstransportprozessen zwischen der Erde und dem Weltraum. Zur Verbesserung der Ergebnisse der Modellierung der Aerosoleffekte ist eine möglichst genaue Bestimmung des atmosphärischen Aerosols erforderlich. Die Sternlicht-Photometrie ist eine technisch geeignete Methode zur Bestimmung der optischen Aerosoldicke ?A ( ?)) in der Nacht, wenn photochemische Prozesse nicht stattfinden. Die Methode kann zur Ergänzung und Erweiterung der ?A (?) Beobachtung und speziell für die ?A (?) Messung während der Polarnacht genutzt werden. Messungen mit Sternphotometern haben auch Bedeutung für die Beobachtung von umweltrelevanten Spurenstoffen (z.B. O3, H2O, NO2) während einer Zeit, in der die photochemischen Prozesse ausgeschlossen sind. Weiterhin können Messungen von ?A (?) für die Kalibrierung von LIDAR-Rückstreuprofilen genutzt werden /1/. Das technische Konzept und die radiometrischen Voraussetzungen für die Sternlichtmessungen wurden in Zusammenarbeit mit dem Zentralen Astronoomischen Observatorium St. Petersburg-Pulkovo (Russland), dem Meteorologischen Observatorium Lindenberg (Deutschland) und dem Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven/Potsdam (Deutschland) entwickelt sowie erfolgreich in Russland, in Deutschland und auf Spitzbergen in einer Reihe von Tests geprüft. Hier zeigte sich, dass das Sternphotometersystem auch als flexibles Feldmesssystem eingesetzt werden kann. Mit dem Programm SPMHWin32 steht eine leistungsfähige Software für die Steuerung des Messsystems und die Datenbearbeitung zur Verfügung.

Messsystem

Das Prinzip des Messsystems basiert auf der optischen Kopplung eines Spiegelteleskops (Apertur 280 mm, Brennweite 2800 mm) und einem optomechanischen Block, der eine spezielle Fokussieroptik , eine CCD-Zeile als Sensor, eine automatische Fokussierung und eine Steuerelektronik enthält. Die innovative Technologie des Systems, die CCD-Zeile mit einem davor liegenden Gitter zur spektralen Zerlegung des ankommenden Lichtes und eine Spezialoptik zur Fokussierung des gesamten Sternlichtes gestatten eine neue, technisch relativ einfache Lösung auf dem Gebiet der Sternphotometrie, wo im Vergleich zur solaren Bestrahlungsstärke die viel niedrigeren Lichtintensitäten (Magnituden) mi(?) der Sterne gemessen werden. Ergänzt wird diese Technologie durch ein leistungsfähiges Nachführsystem, das automatisch sowohl die exakte Ausrichtung des Messsystems auf den Stern während der Messung mit Hilfe einer CCD-Kamera als elektronisches Visier als auch die notwendige Hintergrundmessung sichert.

Messprinzip

Das Sternenlicht wird durch das Spiegelteleskop in einer Messblende mit einem Durchmesser von 0,5 mm fokussiert. Eine grobe Ausrichtung des Messteleskops auf den zur Messung ausgewählten Stern erfolgt über ein Leitfernrohr mit Hilfe einer CCD-Kamera. Die genaue Richtungsjustierung übernimmt eine zweite Kamera, die sich im optomechanischen Block befindet und einen Teil des Sternlichtes (ca. 8%), das mit Hilfe eines Strahlteilers umgelenkt wird, nutzt. Das Sternenlicht wird so über eine spezielle Optik geleitet, dass die Lichtenergie des ausgewählten Sterns mit möglichst geringer Dämpfung auf den Eingang eines Lichtleiters gelangt. Über den Lichtleiter wird das Licht zum Gitter geführt, wo die spektrale Zerlegung und die Abbildung des Spektrums auf der CCD-Zeile erfolgt. Über eine Ausleseelektronik wird der Inhalt jeder einzelnen CCD-Zelle ausgewertet und in ein elektrisches Äquivalent gewandelt. Diese Werte stehen als Rohmesswerte zur Verfügung und werden zur weiteren Bearbeitung an einen PC weitergeleitet. Der PC ist über eine RS232 Schnittstelle mit der Steuerelektronik des Sternphotometers verbunden. Durch das auf dem PC laufende Programmsystem STMHWin32 werden über die Mess- und Steuerelektronik des Sternphotometers die Messung und der Betrieb der Nachführeinheit in Verbindung mit den CCD-Kameras gesteuert.

Nachführsystem

Zur Ausrichtung des Sternphotometers auf einen Meßstern werden sowohl parallaktische (GTO 900 (ASTROPHYSICS) oder G11 (LOSMANDY))als auch azimutale (AZA2000 (10Micron)) Montierungen verwendet. Sie werden auf einer Stativsäule montiert und horizontal exakt ausgerichtet. Danach erfolgt die genaue Ausrichtung auf den Himmelsnord(süd)pol entsprechend den bekannten Verfahren. Wurde diese Ausrichtung erfolgreich durchgeführt, läßt sich die Montierung sowohl über eine Handsteuerbox als auch mit Hilfe des PC´s mit der ihren Parametern entsprechenden Genauigkeit auf ausgewählte extraterrestrische Ziele (Sonne, Mond und Sterne) steuern.

Beobachtungskuppel

Das Sternphotometer SPSTAR03 ist ein Messgerät, welches gegen Staub und geringe Feuchtigkeit gut geschützt ist. Da es jedoch keinen Schutz gegen Regen und Schnee besitzt, ist seine Unterbringung in einer Schutzkuppel notwendig. Diese Kuppel muß ausreichend Platz bieten, damit das Sternphotometer sich in allen Richtungen um die Stativsäule frei bewegen kann und ein Bediener ausreichend Platz hat, um notwendige Einstell- und Justagearbeiten durchführen zu können. Die Bewegung von Kuppel und Photometer wird während der Messungen  automatisch so gesteuert, dass das Photometer ständig den Stern durch den Kuppelschlitz erfassen kann.

Beobachtungsmethoden

Das Sternphotometer S&P STP ist für die Durchführung von Messungen sowohl nach der Zwei-Sterne-Methode (ZSM) als auch nach der Ein-Stern-Methode (ESM) geeignet /3/,/4/,/5/. Durch seinen Automatisierungsgrad ist es für die Verwendung bei Routinemessungen bei Nutzung der ESM geeignet.

Programmsystem STMHWin32

Mit dem Programmsystem STMHWin32 erfolgt die komplette Steuerung des Sternphotometers S&P STP.
Es ermöglicht u.a. die Ausführung folgender Operationen:

  • Verwaltung einer Datenbank mit den spektralen extraterrestrischen Magnituden (SEM) der zur Verfügung stehenden Meßsterne
  • Durchführung von Messungen nach der Zwei-Sterne-Methode ZSM
    • Ergebnisse:
      • optische Dicke des Aerosols
      • optische Dicke der Wassersäule
      • spektrale gerätebezogene extraterrestrische Magnituden (SEMI) der bei der ZSM verwendeten Sterne
      • Verwaltung der Ergebnisdaten
  • Durchführung von Messungen nach der Ein-Stern-Methode ESM
    • Ergebnisse:
      • optische Dicke des Aerosols
      • optische Dicke der Wassersäule
      • Berechnung der spektralen gerätebezogenen extraterrestrischen Magnituden SEMI
      • Verwaltung der Ergebnisdaten
  • Durchführung der Steuerung des Sternphotometers während der Messung und Sicherung der Langzeitpositionierung

Technische Parameter

Optisches System  Schmidt-Cassegrain Optical Tube Assembly(Öffnung 280 mm,Brennweite 2800 mm)
Messbereich 400 nm ... 1050 nm
Messwellenlängen 17 (410 nm ... 1024 nm)
Abweichung zur Zentralwellenlänge ± 2 nm
Spektrale Zerlegung
Gitter
Spektrale Bandbreite (FWHM) < 6 nm
Sensor system CCD sensor S7031 (Hamamatsu)
Anzahl der Pixel
1024 x 58 (1044 x 64 total), 24,6 µm2
Quanten effektivität 90% peak
Dauer einer Messung
< 2 min for OSM
Genauigkeit 0,003 ? ? ? A ? 0,011
Nachführsystem zwei CCD-Kameras
Interface RS232
Stromversorgung 220 V/12V (3 A)
Gewicht ohne Teleskop
13 kg
Gewicht des Teleskops
14 kg
Betriebstemperaturbereich bis -80 °C
Nachführsystem Montierungen: GTO900 oder G11 oder AZA2000
Messsterne bis zur Magnitude 3
Zeitauflösung < 3 min für OSM, < 6 min TSM

Schrifttum:

/1/ Ansmann, A., F. Wagner, D. Althausen, D. Müller, A. Herber, U. Wandinger
European Pollution Outbreaks During ACE 2: Lofted Aerosol Plumes observed with Raman Lidar at the Potuguese Coast?, Jurnal of Geophysical Research, Vol. 106, No. D18, 20725 ? 20733

/2/ Leiterer, U., A. Naebert, T. Naebert, G. Alekseeva
A new star photometer developed for spectral aerosol optical thickness measurements in Lindenberg ,Contrib. Atmos. Phys., 68, 133 ? 141, 1995

/3/ Herber, A., S. Debatin, J. Graeser, H. Gernandt, K.-H. Schulz, A. Naebert, J. Gundermann, G. Alekseeva
Measurements of the spectral optical depth of aerosol with moon and starlight during polarnight 1994/95 and 1995/96 in Ny-Ålesund, Spitzbergen
IRS ´96: Current Problems in Atmospheric Radiation, Smith and Stamnes (Eds.), 1996

/4/ Herber, A., L.W. Thomason, H. Gernandt, U. Leiterer, D. Nagel, K.-H. Schulz, J. Kaptur, T. Albrecht, J. Notholt
Continous day and night aerosol optical depth observation in the Arctic between 1991 and 1999
Journal of Geophysical Research, 107, 2002