Quelltext der Seite Differenzielle optische Absorptionsspektroskopie

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Die '''differenzielle''' (auch '''differentielle''') ''' optische Absorptionsspektroskopie''' (kurz DOAS) ist eine in der Umweltüberwachung verwendete [[Physikalische Chemie|physikalisch-chemische]] [[Fernerkundung|Fernerkundungsmethode]], mit der sich Spuren chemischer Verbindungen qualitativ und quantitativ nachweisen lassen. Die DOAS wird zur Analyse atmosphärischer Spurenstoffe verwendet. Mit ihr lässt sich beispielsweise die [[Ozon]]konzentration<ref>.Nawahda A: ''Ozone monitoring using differential optical absorption spectroscopy (DOAS) and UV photometry instruments in Sohar, Oman.'', Environ Monit Assess. 2015 Aug;187(8):485, PMID  26138853</ref> in der [[Erdatmosphäre]] messen. Weitere Spurengase sind u.a. [[Stickstoffdioxid]] (NO<sub>2</sub>), [[Stickstoffmonoxid]] (NO), [[Schwefeldioxid]] (SO<sub>2</sub>), [[Methan]], [[Formaldehyd]], [[Brommonoxid]] (BrO), [[Iodmonoxid]] (IO), [[Chloroxide|Chlormonoxid (ClO) und Chlorperoxid (OClO)]], [[Wasser]], [[Salpetrige Säure]] und [[Glyoxal]].

== Überblick ==
Die DOAS basiert auf der [[frequenz]]- bzw. [[wellenlänge]]nabhängigen [[Absorption (Physik)|Absorption]] von [[Licht]] in gasförmiger Materie. Das Licht kann hierbei von einer künstlichen Quelle wie einer [[Gasentladungslampe#Hochdruck-Entladungslampen (HID-Lampen)|Hochdruckentladungslampe]], einer [[Leuchtdiode]] oder einer natürlichen, extraterrestrischen Quelle wie der [[Sonne]] stammen. Da die [[Lichtabsorption]] in der Atmosphäre gering ist, wird zur Messung von [[Spurengase]]n eine ausreichend große Wegstrecke in der Atmosphäre zwischen Lichtquelle und Spektrometer benötigt (ca. 100&nbsp;m bis mehrere [[Kilometer|km]]). Wird das gestreute Sonnenlicht als Lichtquelle verwendet, so wird die Absorption in der gesamten Atmosphäre erfasst. Es kann je nach Gas eine Empfindlichkeit im [[parts per billion|ppb]] bis ppt (10<sup>−12</sup>)-Bereich erreicht werden.

Im Gegensatz zu anderen Methoden der [[Absorptionsspektroskopie]] wird bei der differenziellen optischen Absorptionsspektroskopie nicht das ganze Spektrum untersucht, sondern es werden nur Wellenlängen nahe von [[Spektrallinie|Absorptionsstrukturen]] eines zu untersuchenden Gases erfasst und es wird die Gaskonzentration dort aus dem charakteristischen Unterschied der Absorption direkt bei den Absorptionsstrukturen errechnet, oftmals simultan für mehrere Absorber. Dies ist notwendig um die breitbandigen [[Wirkungsquerschnitt|Absorptionswirkungsquerschnitte]] von [[Miestreuung|Mie]]- und [[Rayleighstreuung]] von den höherfrequenten Wirkungsquerschnitten der Spurenstoffe zu unterscheiden. Aufgrund verschiedener Faktoren ist der Auswertewellenlängenbereich beschränkt. Bei passiven atmosphärischen Messungen kann dies bspw. auch der unterschiedliche Strahlungstransport durch verschiedene Luftschichten aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit von Rayleighstreuung sein. Die untersuchten Absorptionsstrukturen liegen meistens im Bereich des [[ultraviolett]]en oder sichtbaren Lichts, aber auch im nahen [[Infrarot]]. Die DOA-Spektroskopie ist daher eng mit der in der analytischen Chemie gebräuchlichen [[UV/VIS-Spektroskopie]] verwandt.

== MAX-DOAS ==
Bei passiven DOAS-Systemen können durch Änderungen in der Messgeometrie, bspw. des Elevationswinkel des [[Teleskop]]s, weitere Informationen über die Höhenverteilung der Spurenstoffe erlangt werden. Dieses Verfahren heißt dann i. A. MAX-DOAS (Multi AXiale differenzielle optische Absorptionsspektroskopie) und kann, bei Messung verschiedener [[Tetrasauerstoff|O<sub>4</sub>]]-Absorptionsbanden, auch genutzt werden, um [[Aerosol]]profile zu bestimmen.<ref>R. Sinreich, U. Frieß, T. Wagner, S. Yilmaz, U. Platt: ''Retrieval of Aerosol Distributions by Multi-Axis Differential Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS)'' in: Nucleation and Atmospheric Aerosols (2008) S. 1145–1149 {{DOI|10.1007/978-1-4020-6475-3_227}}</ref> Hierfür wird ausgenutzt, dass man die Verteilung von O<sub>4</sub> in der Atmosphäre kennt und auch dessen Absorption in verschiedenen Wellenlängenbereichen messen kann. Somit kann man über ein inverses Modell auf Basis von [[Strahlungstransfermodell]]en wie bspw. SCIATRAN auf die ursprüngliche Aerosol- und Spurenstoffverteilung schließen.

Da DOAS ein kalibrierfreies Messverfahren ist, können bspw. MAX-DOAS-Messungen dazu verwendet werden, andere Messverfahren zu kalibrieren. Für Kameras, die die Ausbreitung von SO<sub>2</sub> an Vulkanen beobachten, ist dies naheliegendes Vorgehen. Die Tatsache, dass man für Messungen keinerlei Kalibrierung braucht, ergibt sich daraus, dass gängige DOAS-Messgeräte die optische Dicke durch zwei Spektren, einmal mit und einmal ohne Absorption, messen und sich die Säulendichte und danach die Konzentration direkt aus dieser optischen Dichte und dem, zeitlich konstanten, Wirkungsquerschnitt des Absorbers ergeben.

== Satellitenmessungen ==
Satellitengestützte Messinstrumente wie etwa [[SCIAMACHY]] können genutzt werden, um mit Hilfe des DOAS-Verfahrens globale Spurenstoffkarten zu erstellen. Hier existieren Karten u.a. von [[Stickstoffdioxid]] (NO<sub>2</sub>), [[Stickstoffmonoxid]] (NO), [[Schwefeldioxid]] (SO<sub>2</sub>), [[Methan]], [[Formaldehyd]], Brommonoxid (BrO), [[Chloroxide|Chlormonoxid (ClO) und Chlorperoxid (OClO)]], [[Wasser]] und verschiedenen Aeorosolparametern.<ref>[http://www.iup.uni-bremen.de/sciamachy/ ''SCIAMACHY Homepage''] beim Institut für Umweltphysik Bremen.</ref> [[Global Ozone Monitoring Experiment|GOME bzw. GOME-2]] wurden zur Bestimmung von [[Ozon]] (O<sub>3</sub>) gebaut; es werden aber auch verschiedene andere Spurenstoffe (NO<sub>2</sub>, SO<sub>2</sub>, BrO und OClO) gemessen.<ref>[http://www.esa.int/esaLP/SEMTTEG23IE_LPmetop_0.html ''Instruments - GOME-2.''] bei der [[Europäische Weltraumorganisation|ESA]].</ref><ref>[http://www.doas-bremen.de/gome2_first_results.htm ''GOME-2 Results''] bei IUP Bremen.</ref>

== Aktive DOAS Varianten ==

Messungen mit eigener Lichtquelle werden unter dem Begriff 'aktiv' zusammengefasst. Hierzu gehören Langpfad-DOAS, Multireflektionszellen  und [[Cavity-Enhanced-Absorption-Spektroskopie|Cavity-Enhanced DOAS]]. Im ersten Falle wird mit Spiegeln und einem Teleskop ein langer Lichtweg erreicht, bei den beiden letzten Verfahren wird dies durch eine Faltung des Lichtwegs auf beschränkterem Raum erreicht. Die erreichten Weglängen variieren zwischen wenigen hundert Metern für Multireflektionszellen und mehreren Kilometern für Langpfad und Cavity Systeme.

[[File:LP_DOAS_on_Cape_Verde_Atmospheric_Observatory,_Sao_Vicente_,_Cape_Verde.JPG|thumb|Langpfad-DOAS System auf Cape Verde Atmospheric Observatory CVAO auf [[São_Vicente_(Kap_Verde)|São Vicente]],[[Kap Verde]] ]]

== Weblinks ==
* [http://www.qld.gov.au/environment/pollution/monitoring/air-pollution/measuring-pollutants/ A Differential Optical Absorption Spectroscopy system monitors air pollutants based on their ability to absorb light "open path"](en)
* [http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/atmosphere/ DOAS Gruppe am IUP Heidelberg] ([http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/atmosphere/en/ engl. Startseite])
* [http://www.iup.uni-bremen.de/doas/index_d.html DOAS Gruppe am IUP Bremen] ([http://www.iup.uni-bremen.de/doas/ engl. Startseite])

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Umwelttechnik]]
[[Kategorie:Spektroskopisches Verfahren]]
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