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LiDAR (Remote sensing)

Lidar-Systeme zur Atmosphärenmessung senden Laserimpulse aus und detektieren das aus der Atmosphäre zurückgestreute Licht. Aus der Lichtlaufzeit der Signale wird die Entfernung zum Ort der Streuung berechnet. Wolken- und Staubteilchen in der Luft (Aerosole) streuen das Laserlicht und ermöglichen eine hochauflösende Detektion und Entfernungsmessung von Wolken und Aerosolschichten.

Mit komplexeren Systemen lassen sich atmosphärische Zustandsparameter und die Konzentration von atmosphärischen Spurengasen bestimmen. Beispielsweise dienen LiDAR-Instrumente auch der Überwachung (Monitoring) von Emissionsmengen von Schornsteinen von Fabriken auf Einhaltung vorgegebener Grenzwerte. Je nach Wellenlänge des verwendeten Laserlichts sind LiDAR-Systeme mehr oder weniger empfindlich für molekulare oder Partikelrückstreuung. Auch hängt die Stärke der Rückstreuung bei einer Wellenlänge von der jeweiligen Partikelgröße und Konzentration ab. Mit LiDAR-Systemen, die mehrere Wellenlängen aussenden, kann daher die genaue Größenverteilung der atmosphärischen Partikel bestimmt werden.

Mit ausgefeilten Techniken lässt sich mittels LiDAR eine Vielzahl atmosphärischer Parameter messen: Druck, Temperatur, Feuchte, Wasserdampf-Konzentration sowie die Konzentration atmosphärischer Spurengase (Ozon, Stickoxide, Schwefeldioxid, Methan usw.). Außerdem lassen sich die optischen Eigenschaften von Aerosolen und Wolkenpartikeln bestimmen (Extinktionskoeffizient, Rückstreuungskoeffizient, Depolarisation). Mit einem Depolarisations-LiDAR lässt sich der Aggregatzustand (flüssig oder fest, also bei Wolkenteilchen: ob noch Wasser oder schon Eis) bestimmen (siehe auch Polarisation).

Raman-LiDAR-Systeme

Raman-LiDAR-Systeme (siehe auch Raman-Spektroskopie) detektieren zusätzlich zur Rückstreuung der gerade ausgesendeten Wellenlänge (elastische Rückstreuung) auch Signale bei anderen Wellenlängen. Diese Signale entstehen dadurch, dass die das Licht rückstreuenden Moleküle einen Teil der Energie des Lichtteilchens (des Photons) aufnehmen oder ihm zusätzliche Energie hinzugeben (inelastische Streuung). Die Moleküle ändern bei der inelastischen Streuung ihre Vibration oder Rotation (Raman-Prozess). Die Energieänderung ist nur in bestimmten „gestuften“ Schritten möglich (siehe Quantenmechanik) und diese Schritte sind charakteristisch für die Molekülart. Wassermoleküle streuen beispielsweise grünes Licht mit kleiner Wahrscheinlichkeit rot zurück (frequenzverdoppeltes Nd:YAG-Laserlicht einer Wellenlänge von 532 nm wird bei 660 nm zurückgestreut). Dieser Prozess wird bei der Bestimmung des Wasserdampfmischungsverhältnisses in der Atmosphäre (Wasserdampf-Raman-Lidar) verwendet. 

Anwendung in der Geothermie

LiDAR wurde und wird in der Geothermie vorwiegend zur Erarbeitung der Zusammensetzung von Ausgasungen an der Erdoberfläche eingesetzt. Für Vulkanologen ist LiDAR eine der wesentlichsten Methoden der Fernerkundung.

Datenzugang und Datenerfassung

Viele Daten sind im staatlichen Eigentum, teils militärisch, teils aber auch bei Forschungseinrichtungen. Die Verfügbarkeit ist von Staat zu Staat sehr unterschiedlich. Andere sind kommerziel verfügbar.

Literatur

Claus Weitkamp: Lidar - range-resolved optical remote sensing of the atmosphere. Springer, New York 2005, ISBN 0-387-40075-3

Takashi Fujii: Laser remote sensing. CRC, Taylor & Francis, Boca Raton 2005, ISBN 0-8247-4256-7

Albert Ansmann: Advances in atmospheric remote sensing with lidar. Springer, Berlin 1997, ISBN 3-540-61887-2 

Unruh, Jeff; Gray, Brian; Lutz, Andrew; Bozkurt, Serkan; Bjornstad, Steve; Tiedemann, Andrew : Use of LiDAR Data for Neotectonic Evaluation of Superstition Hills and Superstition Mountain, Salton Trough, California , Geothermal Resources Council Transactions , 2013

Helton, Erica L.; Bell, John W.; Cashman, Patricia H.; Lazaro, Michael; Alm, Steve : Structural Analysis of Southern Dixie Valley Using LiDAR and Low-Sun-Angle Aerial Photography, NAS Fallon Geothermal Exploration Project, Dixie Valley, Nevada , Geothermal Resources Council Transactions, 2011

Payne, Jonathan; Bell, John; Calvin, Wendy, Spinks, Karl : Active Fault Structure and Potential High Temperature Geothermal Systems: Lidar Analysis of the Gabbs Valley, Nevada, Fault System , Geothermal Resources Council Transactions  2011

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/ oder Konferenzdatenbank

Weblink

http://en.openei.org/wiki/LiDAR

zuletzt bearbeitet Juni 2020