Projekt 14205/01

Entwicklung eines UVB-Feldmeßgerätes für korrelierte Messungen mit atmosphärischen Umweltparametern in Berlin

Projektdurchführung

Fa. iSiTEC Ingenieurbüro Hanken & Hoops GbR
Stresemannstr. 46
27570 Bremerhaven

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der fortschreitende Ozonabbau in der Stratosphäre gekoppelt mit einem Anstieg des bodennahen Ozons in den Ballungsräumen hat weltweit das Interesse an zuverlässigen Messverfahren der UV-Belastung geweckt. Ziel des Vorhabens ist es, ein ursprünglich nur für Forschungsaufgaben in polaren Gewässern entwickeltes UVB-Meßsystem zu einem marktreifen Produkt für umweltrelevantes Monitoring der UV-Belastung am Boden weiterzuentwickeln. Das Messprinzip beruht auf der gleichzeitigen Messung des gesamten interessierenden Wellenlängenbereichs 290 - 400 nm und erlaubt neben der Bestimmung der UV-Belastung auch Aussagen über das vertikale Gesamtozon.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas im Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung entwickelte Array-Spektrometer mit einer Mikrokanalplatte als Detektor dient als Basisgerät für die Weiterentwicklung. In der ersten Phase sollen die verwendeten Komponenten in Hinsicht auf Funktion, Kosten und Bedienung optimiert werden. Dazu gehört insbesondere eine Neukonstruktion der Eingangsoptik, eine Verbesserung der Geräteklimatisierung, ein Umbau der Hochspannungsversorgung sowie Maßnahmen zur Verbesserung der Langzeitstabilität.
Nach den auf ca. 6 Monate angesetzten Umbauarbeiten kommt in der zweiten Phase eine neue benutzerfreundliche Software zum Einsatz, mit der eine Fehlbedienung des Gerätes ausgeschlossen werden soll. So wird beispielsweise das Ein- und Ausschalten sowie die Regelung der Hochspannung automati-siert und auf die Spezifikationen des jeweiligen Detektors abgestimmt.
In der dritten Projektphase wird der Prototyp von der FU Berlin auf dem Dach der Charité in Berlin kombiniert mit einem Aerosol- und Ozonlidar eingesetzt. Während der auf ca. 1 Jahr angesetzten Messkampagne übernimmt die FU Berlin den Betrieb der Geräte, die Fa. iSiTEC die technische Betreuung und das AWI die Auswertung der Messdaten. Die Messungen sollen Auskunft über die UV-Belastung in Ballungsräumen geben und sind damit gleichzeitig Grundlage für Erkenntnisse über Marktchancen des weiterent-wickelten UV-Meßsystems.


Ergebnisse und Diskussion

Die im Vorhaben geplanten Modifikationen des UV-Messsystems konnten alle realisiert werden. So waren mit Stand Juni 2002 bereits sechs der sieben älteren Messgeräte des Alfred-Wegener Instituts ent-sprechend des im Rahmen des Projekts entstandenen neuen Gerätes umgerüstet.
Die inzwischen international anerkannten NDSC-Standards (NDSC = Network for the Detection of Stratopheric Changes) für Messgeräte zur Bestimmung der solaren UV-Einstrahlung, sowie die Nachfrage aus den Reihen der Datennutzer machten eine Erweiterung der Wellenlängen-Obergrenze von 320 auf 400 nm erforderlich. Deshalb wurde ein zweites, unabhängig arbeitendes Spektralradiometer mit eigener Eingangsoptik für den Wellenlängenbereich 315 bis 400 nm (UV-A) integriert. Dieses Gerät besteht aus einem Einfach-Monochromator und verwendet als Detektor ein Diodenarray mit 256 Kanälen. Der im Vergleich zum UV-B Gerät einfachere Aufbau ist wegen der vergleichsweise geringen spektralen Dyna-mik des UV-A Bereichs ausreichend. Der Wellenlängenbereich beider Geräte ist überlappend und erlaubt damit das rasche Erkennen systematischer Messfehler. Eine benutzerfreundliche neue Software erlaubt neben der Datenaufzeichnung die einzelne oder gemeinsame Darstellung der parallel gemessenen UV-Spektren inklusive verschiedener Integral- und Dosisberechnungen. Sie regelt und überwacht zudem die gerätespezifische Hochspannung und schützt somit vor Fehlmessungen und Detektorzerstörung.
Je nach Einsatzgebiet stehen in Kombination mit einem Heizelement zwei unterschiedliche Kühlsysteme (Wärmetauscher oder Kompressorkühler) für die Temperaturstabilisierung von +/- 0,5°C des Messgehäuses zur Verfügung. Ein Austausch beider Systeme ist mit nur wenigen Handgriffen möglich.
Der Einsatz an entlegenen Standorten wird zudem wesentlich durch die Verwendung einer neuen mobilen Kalibrierstation erleichtert, die den häufigen Transport der Geräte übe große Entfernungen überflüssig macht.
Der bisherige Einsatz der Geräte hat gezeigt, dass diese äußerst robust und wenig störanfällig sind. Sie können nach nur kurzer Einweisung auch von fachfremdem Bedienungspersonal betreut werden.
Neben der mit hoher zeitlicher Auflösung messbaren solaren Bestrahlstärke können Messkanäle aus dem UV-B Bereich (z. B. bei 300 und 320 nm) auch zur direkten Bestimmung des vertikalen Gesamtozons verwendet werden. Dabei ermöglicht die vorhandene Auswertungssoftware mit Hilfe einer positi-ons- und zeitabhängigen Luftmassenberechnung eine schnelle Trendbestimmung. So dient das Gerät an der Neumayer Station in der Antarktis u. a. dazu, den aktuellen Ozontrend unabhängig von der Wolkenbedeckung zu erkennen. Im Fall einer interessanten Situation kann dann als Ergänzung eine relativ teure, ballongebundene Ozonsonde zur Bestimmung des vertikalen Ozonprofils gestartet werden


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Einer größeren Öffentlichkeit vorgestellt wurde das erweiterte und verbesserte UV-Messsystem während der Messkampagne FELDEX 2000 vom 04.-13. Oktober 2000 auf dem Kleinen Feldberg, sowie bei den Tagen der Umwelt am 3./4. Juni 2002 im Park des Schlosses Bellevue in Berlin. Als Teil der iSiTEC-Produktpalette wurde das Gerät am 14./15. Mai 2001 auf der DafP-Tagung für Photobiologie in Stuttgart sowie am 30.08.-01.09.2001 auf der Meerestechnik-Messe InWaterTec in Kiel vorgestellt. Geplant ist weiterhin die Teilnahme an der DAfP-Tagung am 1./2. Oktober 2002 in Dresden, sowie eine Posterprä-sentation bei dem 5. EU-Workshop des Thematic Network for Ultraviolet Radiation Measurements am 7./8. Oktober 2002 in Griechenland. Hier bietet sich die Möglichkeit, wie bereits bei den vorangegangenen EU-Workshops, die aktuelle Entwicklungsstufe des Gerätes einem hochrangigen Fachpublikum vor-zustellen. Das UV-System wird zudem in verschiedenen Veröffentlichungen sowie Veranstaltungen des Alfred-Wegener Instituts genannt oder präsentiert.


Fazit

Sämtliche Messgeräte sind nahezu ständig im Einsatz. Neben den exponierten Standorten in den Polargebieten und auf Forschungsschiffen befinden sich Messsysteme in Bremerhaven und auf Helgoland. In diesem Jahr soll eine weitere Messstation auf dem Pico Bolivar in Merida/Venezuela in Betrieb genommen werden, und somit äquatornahe UV-Daten aus großen Höhen liefern. Die Geräte haben bisher alle Erwartungen erfüllt. Ein vergleichbares Gerät zur parallelen Erfassung des solaren UV-Spektrums ist weltweit nicht bekannt. Die wesentlichen Vorzüge des Systems sind die große Empfindlichkeit (Photonenzählung) sowie die hohe Zeitauflösung und damit die Möglichkeit, den Einfluss von schnell wechselnden atmosphärischen Bedingungen (z. B. Wolken) auf die UV Bestrahlungsstärke zu bestimmen. Die seit mehreren Jahren gesammelten Datensätze fanden Eingang in eine Reihe wissenschaftlicher Veröffentlichungen, insbesondere bei Arbeiten, die sich mit den Auswirkungen der solaren UV-Strahlung auf die Biosphäre befassen. Derzeit ist eine UV-Datenbank im Aufbau, um die Daten einheitlich zu verwalten und den externen Zugriff zu erleichtern.