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Die Sternlicht-Photometrie ist eine technisch geeignete Methode zur Bestimmung der optischen Aerosoldicke δ A ( λ)) in der Nacht, wenn photochemische Prozesse nicht stattfinden. Die Methode kann zur Ergänzung und Erweiterung der δ A (λ) Beobachtung und speziell für die δ A (λ) Messung während er 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 δ A (λ) 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 Potsdam (Deutschland) entwickelt sowie erfogreich in Russland, in Deutschland und auf Spitzbergen in einer Reihe von Test geprüft.
Hier zeigte sich, dass das Sternphotometersystem auch als flexibles Feldmesssystem eingesetzt werden kann.
Das Prinzip des Meßsystems basiert auf der optischen Kopplung eines Spiegelteleskops (Apertur 180 mm, Brennweite 1800 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(λ) der Sterne gemessen werden. Ergänzt wird diese Technologie durch ein innovatives 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.
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 Richtungsjustuierung 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 gesamte Lichtenergie des ausgewählten Sterns 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 parallaktischen Montierung in Verbindung mit den CCD-Kameras gesteuert.
Zur Ausrichtung des Sternphotometers auf den Meßstern wird eine parallaktische Montierung verwendet. Sie wird 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.
Das Sternphotometer SPSTAR ist für die Durchführung von Messungen sowohl nach der Zwei-Sterne-Methode (ZSM) als auch nach der Ein-Sterne-Methode (ESM) geeignet /3/,/4/,/5/. Durch seinen Automatisierungsgrad ist es für die Verwendung bei Routinemessungen bei Nutzung der ESM geeignet.
Mit dem Programmsystem STMHWin32 erfolgt die komplette Steuerung des Sternphotometers SPSTAR.
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 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 ESM
Ergebnisse:
optische Dicke des Aerosols
optische Dicke der Wassersäule
Verwaltung der Ergebnisdaten
Durchführung der Steuerung des Sternphotometers während der Messung und Sicherung der Langzeitpositionierung
/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
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Optisches System |
Spiegel-Teleskop (180 mm/1800 mm) |
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Öffnungswinkel |
1° |
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Messbereich |
400 nm ... 1030 nm |
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Anzahl der möglichen Messstellen |
10 (412 nm, 442 nm, 500 nm, 532 nm, 610 nm, 672 nm, 778 nm, 862 nm, 964 nm, 1024 nm) |
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Toleranz zur Zentralwellenlänge |
± 2 nm |
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spektrale Zerlegung |
Gitter |
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spektrale Halbwertsbreite |
< 6 nm |
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Sensor |
Hamamatsu S7031-1006 |
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Anzahl der Pixel |
1024 x 58 (1044 x 64 total), 24,6 µm2 |
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Quanteneffizienz |
90% peak |
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Dauer einer Messung |
< 1 min bei ESM |
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Genauigkeit |
0,003 ≤ Δ δ A ≤ 0,011 |
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Nachführsystem |
parallaktische Montierung / CCD-Kamera |
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Interface |
RS232 |
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Stromversorgung |
220 V/12V (5 A) |
