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Meßprinzip

Scintillometer BLS900

Aufbau

Das BLS setzt sich aus einem Sender und einem Empfänger zusammen. Der Sender besteht mit zwei runden leuchtenden Scheiben von 15 cm Durchmesser. Die Scheiben werden von 888 Infrarot LEDs beleuchtet. Um den Sender leichter anpeilen zu können sind in beide Scheiben Ringe aus sichtbar rot leuchtenden LEDs eingelassen.

Der Empfänger besteht aus einem Teleskop mit ebenfalls 15 cm Objektivdurchmesser. Statt eines Okulars besitzt es jedoch im Fokus zwei Silizium Photodioden. Damit wird die Intensität des einfallenden IR-Signals vom Sender gemessen. Das Signal wird elektrisch verstärkt und in einer "Signal Processing Unit" (SPU) verarbeitet. Die SPU ist mit einem Steuer-PC verbunden, von dem die Daten ins Netz gehen. Um den Empfänger auf den (mehrere Kilometer entfernten) Sender auszurichten, kann man ein Zielfernrohr aufsetzen.

Prinzip

Der Brechungsindex der Luft ist abhängig von der Temperatur. Bei thermisch angetriebener Turbulenz variiert die Lufttemperatur entlang der Turbulenzelemente. Dadurch entsteht das bekannte "Hitzeflirren". Dadurch entstehen aber auch Variationen in der Intensität des empfangenen Signals.

Wenn man ein Modell für das dreidimensionale Spektrum der Fluktuationen des Brechungsindex annimmt, kann man aus der die Varianz der Signalstärke die Brechungs-Index Strukturkonstante Cn2

ausrechnen.

Die atmosphärische Absorption ist allerdings ebenfalls von der Turbulenz abhängig. Die Absorption wird jedoch im allgemeinen von Turbulenzelementen verursacht, die groß im Vergleich zum Durchmesser der Sender-Flächen sind. Deshalb ist die Absorption für beide Sender gleich. Die Kovarianz der beiden Signale erlaubt daher, die atmosphärische Absorption zu korrigieren.

Wenn der Wind eine Komponente quer zur Meßstrecke hat, werden die die Turbulenzelemente zeitlich versetzt durch beide Meßstrahlen advehiert. Dardurch tauchen die von ihnen verursachten Fluktuationen in beiden Signalen beiden zeitlich versetzt auf. Durch eine zeitversetzte Kreuzkorreletion der beiden Signale und der bekannten Geometrie kann man daher auch noch die Querwind-Komponente rekonstruieren.

Auswertung

Wenn man freie Konvektion annimmt, erlaubt die Monin-Obukhov Ähnlichkeitstheorie, den turbulenten Fluß fühlbarer Wärme H in Abhängigkeit von der Temperatur-Strukturkonstante CT2 und der Höhe über Grund anzugeben. Wenn man den Einfluß der Luftfeuchte auf den Brechungsindex vernachlässigt, läßt sich CT2 einfach als Funktion von Cn2

berechnen.

Da Cn2

positiv definit ist, ist auch das daraus berechnete H positiv. Das Vorzeichen (bzw. die Richtung) des turbulenten Fluß fühlbarer Wärme läßt sich aus den Scintillometer-Messungen nicht ermitteln.

Literatur

Thiermann, V., Grassl, H., 1992: "The measurement of turbulent surface-layer fluxes by use of bichromatic scintillation", Boundary Layer Meteorol., 58, 367 - 389.

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