German Title: Bestimmung von atmosphärischen Spurengas- und Aerosolprofilen mittels Multi-Axialer Differentieller Optischer Absorptionsspektroskopie

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Abstract

In this thesis, the vertical distribution of atmospheric trace gases and aerosols were retrieved using Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS). Various inversion methods were used to retrieve the profiles from the MAX-DOAS measurements. A new MAX-DOAS instrument optimized for the measurement of aerosol and trace gas profiles was developed. The retrieval methods were tested and advanced in the scope of the EUSAAR (European Supersites for Atmospheric Aerosol Research) project. Several intercomparison campaigns were carried out in Cabauw (the Netherlands), Ispra (Italy) and Leipzig/Melpitz (Germany). Aerosol extinction and NO2 profiles were retrieved from the MAX-DOAS measurements and compared to independent in situ and remote sensing measurements. Good agreements were achieved for both the aerosol and NO2 profiles. Furthermore, the diluted plume of the Eyjafjallajokull volcano, Iceland, was detected by MAX-DOAS SO2 measurements over Heidelberg in April and May 2010. These measurements showed an unambiguous detection of SO2, and are in agreement with satellite observations and model predictions. The here presented advances in instrumental hardware and retrieval algorithms demonstrate that MAX-DOAS is a powerful tool for monitoring the vertical distribution of atmospheric constituents. Verified by independent measurements, its integration in worldwide measurement networks is recommended.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wurde die Multi-Axiale Differentielle Optische Absorptionsspektroskopie (MAX-DOAS) verwendet um die vertikale Verteilung von atmosphärischen Spurengasen und Aerosolen zu bestimmen. Dabei wurden verschiedene Inversionsmethoden angewandt um die Profile aus den MAX-DOAS Messungen zu bestimmen. Ein neues MAX-DOAS Instrument wurde gebaut, das speziell für die Messung von Aerosolen und Spurengasen konzipiert wurde. Im Rahmen des EUSAAR (European Supersites for Atmospheric Aerosol Research) Projektes wurden die Inversionsmethoden angewandt und weiterentwickelt. Mehrere Vergleichs-Messkampagnen wurden in Cabauw (Niederlande), Ispra (Italien) und Leipzig/Melpitz (Deutschland) durchgeführt. Aerosol Extinktions- und NO2-Profile wurden bestimmt und mit unabhängigen In-Situ- und Fernerkundungs-Messungen verglichen. Dabei wurden sowohl für die Aerosolprofile als auch NO2-Profile gute Übereinstimmungen mit den unabhängigen Messungen erreicht. Des weiteren wurde die verdünnte Fahne des Eyjafjallajökull Vulkans (Island) mittels MAX-DOAS SO2 Messungen über Heidelberg im April und Mai 2010 nachgewiesen. Diese eindeutigen SO2 Messungen sind im Einklang mit Satellitenmessungen und Modellierungen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Fortschritte im Instrumentenbau und in der Entwicklung von Inversionsalgorithmen zeigen, dass MAX-DOAS eine leistungsfähige Methode für die Erfassung der vertikalen Verteilung der atmosphärischen Bestandteile ist. Aufgrund der Bestätigung durch unabhängige Messungen wird die Integration von MAX-DOAS Instrumenten in globale Messnetzwerke empfohlen.