Ein Durchbruch bei der Satellitenbeobachtung hat es Wissenschaftlern ermöglicht, Ozonprofile mit hoher räumlicher Auflösung zu erstellen und so unser Verständnis der Ozonverteilung und ihrer Auswirkungen auf die Atmosphäre zu verbessern. Die vom Forschungsteam unter der Leitung von Cheng Liu und Fei Zhao an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas durchgeführte Forschung nutzte Daten des Environmental Trace Gases Monitoring Instrument (EMI) auf dem Gaofen-5-Satelliten, dem ersten chinesischen Ultraviolett-Sichtbaren hyperspektrales Spektrometer.
Ozon spielt in der Atmosphäre eine entscheidende Rolle, und das Verständnis seiner vertikalen Verteilung ist der Schlüssel zum Verständnis seines horizontalen und vertikalen Transports sowie seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften. Satellitenbeobachtungen haben sich als eine der effektivsten Methoden zur Erstellung hochauflösender Ozonprofile erwiesen. Das Abrufen genauer Ozonprofile mit dem EMI-Instrument stellt jedoch aufgrund nicht verfügbarer Messfehler und eines niedrigen Signal-Rausch-Verhältnisses besondere Herausforderungen dar.
Das Team entwickelte einen Algorithmus, der speziell auf die Eigenschaften des EMI-Instruments zugeschnitten war und es ihnen ermöglichte, Ozonprofile abzurufen, die gut mit bodengestützten Ozonsondenmessungen übereinstimmten. Der Algorithmus zeigte eine beeindruckende Anpassungsgenauigkeit, wobei die Anpassungsresiduen in den meisten Regionen kleiner als 0,3 % waren.
Die abgerufenen Ozonprofile zeigten maximale mittlere Abweichungen von 20 % in fünf Breitengraden. Darüber hinaus zeigten die integrierten Ozonsäulen der Stratosphäre und der Ozonsäule der Troposphäre bei Anwendung von EMI-Mittelungskernen eine hervorragende Übereinstimmung mit den Ozonsondendaten.
Bemerkenswerterweise enthüllte die Forschung nicht nur die saisonalen Schwankungen des Oberflächenozons in den unteren Schichten (0–7,5 km), sondern zeigte auch deutliche Trends in den oberen Schichten (9,7–16,7 km) auf. Im März wurde festgestellt, dass der Ozonpeak in einer Höhe von 9,7–16,7 km auftrat, was die komplexe Dynamik der Ozonverteilung verdeutlicht.
Darüber hinaus erfassten die EMI-Ozonprofile zusammen mit den Daten zur potenziellen Wirbelstärke und relativen Luftfeuchtigkeit genau ein bedeutendes Einbruchsereignis in die Stratosphäre, das vom 11. bis 15. August 2019 in Zentralchina stattfand. Dieses Ereignis gab Aufschluss über den Abwärtstransportmechanismus, der die Ozonverschmutzung an der Oberfläche verstärkt. Dies wird durch einen vom China National Environmental Monitoring Center (CNEMC) beobachteten Anstieg der Ozonkonzentration belegt.
Der am 9. Mai 2018 gestartete Satellit Gaofen-5 spielte eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung dieser bahnbrechenden Erkenntnisse. Ausgestattet mit dem EMI-Instrument hat der Satellit unschätzbare Daten für die Überwachung von Spurengasen in der Umwelt geliefert und beherbergt außerdem die Richtungspolarisationskamera (DPC) und das Treibhausgas-Überwachungsinstrument (GMI).
Die Studie nutzte einen innovativen Abrufalgorithmus, bekannt als OEM, der zuvor für den Abruf von TROPOMI-Ozonprofilen eingesetzt wurde, um erfolgreich Ozonprofile aus der vom EMI-Instrument beobachteten rückgestreuten Strahlung abzurufen. Diese Methode hat sich bei satellitengestützten Ozonprofilmessungen als bahnbrechend erwiesen.
Die Forscher eröffnen neue Wege zum Verständnis der Ozonverteilung und ihrer Auswirkungen auf die Erdatmosphäre. Weitere Fortschritte bei Satellitenbeobachtungen und Abrufalgorithmen werden zweifellos zu unserem Wissen über die Ozondynamik beitragen und wirksame Strategien zur Überwachung und Abschwächung der Auswirkungen der Ozonverschmutzung ermöglichen.
Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Maschinenbau.
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Fei Zhao et al., Hochauflösende Ozonprofile, abgerufen vom ersten chinesischen Ultraviolett-Visiblen Hyperspektral-Satelliteninstrument, Maschinenbau (2023). DOI: 10.1016/j.eng.2023.02.020