7. Anwendungen von Lidar über Gewässern

Nachweis von Ölverschmutzungen (1/4)

Klassifizierung des Öltyps

Öl ist eine der Substanzen, die Licht absorbieren und einen Teil des absorbierten Lichts als Fluoreszenz wieder aussenden. Die Absorption ist besonders hoch im Ultraviolett und nimmt im sichtbaren Bereich mit zunehmender Wellenlänge (blau, grün, gelb bis rot) kontinuierlich ab. Da Absorption und Fluoreszenz zusammenhängen, nimmt auch die Intensität des Fluoreszenzlichts mit zunehmender Wellenlänge ab. Intensive Fluoreszenzsignale erleichtern den Nachweis von Öl mit dem Laserfluorosensor. Man nutzt aus diesem Grund Pulslaser, deren Laserwellenlängen im Ultraviolett bei etwa 250 bis 350 nm liegen.

Die folgenden Bilder zeigen die Fluoreszenz eines Motoröls, das im Labor mit der UV-Strahlung eines Lasers bei 355 nm beleuchtet wird und hell fluoresziert. Dieser Effekt macht es möglich, Ölverschmutzungen im Meer mit dem Laserfluorosensor vom Flugzeug aus zu erkennen.

Links: eine dicke Schicht aus Motoröl wird mit der Strahlung eines UV-Lasers bei 355 nm beleuchtet. Die Laserstrahlung ist für das Auge und die Fotokamera nicht sichtbar. Die oberen Schichten des Öls leuchten durch Fluoreszenz intensiv blau, das darunter liegende Ö zeigt seine hellbraune Eigenfarbe. Rechts: dünne Filme aus Motoröl auf Wasser werden mit dem Laser bestrahlt und fluoreszieren blau. Das ölfreie Wasser zeigt keine Fluoreszenz und bleibt daher dunkel.

Die Strahlung von Lasern ist sehr schmalbandig: ihr Spektrum besteht aus einem sehr engen Wellenlängenbereich. Dies bezeichnet man als monochromatisch, siehe Kapitel 2 der Lerneinheit Fernerkundung mit Lasern. Die Fluoreszenz von Öl ist vergleichsweise breitbandig. Fluoreszenzspektren liegen immer bei höheren Wellenlängen als das anregenden Laserlicht. Ihre Form, d.h. die Höhe der Intensität über die Wellenlänge, ist für verschiedene Öltypen unterschiedlich.

Leichte Öle wie beispielsweise Benzin oder Diesel fluoreszieren ultraviolett und blau. Schwere Öle, die dunkelbraun oder schwarz aussehen und daher Licht stark absorbieren, fluoreszieren weniger intensiv, und ihre Fluoreszenz liegt im ganzen sichtbaren Bereich.

Fluoreszenzspektren verschiedener Öltypen bei Beleuchtung mit UV-Licht der Wellenlänge 308 nm. Die Kurven zeigen die Intensität der Fluoreszenz über die Wellenlänge von 320 nm (UV) bis 685 nm (tiefes Rot). Die Spektren sind auf gleiche Gesamtintensität (d.h. über alle Wellenlängen integrierte Intensität) normiert, da es hier nur auf die Form der Spektren ankommt. Die absolute Intensität schwerer Öle ist sehr viel geringer als diejenige leichter Öle und wäre in der Grafik ohne Normierung nicht mehr zu erkennen.

In der Grafik oben sind Fluoreszenzspektren einiger Öltypen zu sehen, die sich deutlich unterscheiden. Solche Öle können daher mit dem Laserfluorosensor identifiziert und durch die spektrale Analyse klassifiziert werden. Dies erlaubt auch, die weniger schädlichen Pflanzen- und Fischöle von Mineralölen zu unterscheiden.

Klassifizierung von Ölen ↓

Überlegen Sie sich Methoden, die eine Klassifizierung von Öltypen mit Fluoreszenzspektroskopie erlauben. Benutzen Sie hierfür die oben gezeigten Fluoreszenzspektren.

Anleitung:

Eine vielfach genutzte Methode ist die Bildung von Farbkontrastfunktionen g. Dies sind Verhältnisse von Messwerten bei Wellenlängen, bei denen die Messwerte der betrachteten Objekte deutlich variieren. Fluoreszenzspektren von Ölen unterscheiden sich im UV, Blau und im Rot deutlich voneinander. Eine geeignete Farbkontrastfunktion könnte der Quotient der Fluoreszenzwerte F bei 350 nm und 550 nm sein:

$g = \frac{F (350)}{F (550)}$
Die benötigten Fluoreszenzwerte lassen sich aus der oben gezeigten Grafik abschätzten. Sie können genauere Werte aber auch einem Datenkatalog optischer Eigenschaften von Ölen entnehmen.
Von Vorteil können auch Farbkontrastfunktionen sein, die aus Messwerten bei drei Wellenlängen bestimmt werden, z. B.:

$g = \frac{F (500) \cdot F (600)}{{(F (400))}^{2}}$
Überlegen Sie sich bitte andere sinnvoll erscheinende Kombinationen von Wellenlängen und prüfen Sie sie auf ihre Eignung zur Klassifizierung von Ölen. Machen Sie sich klar, welche Spektralbereiche für die Bildung von Kontrastfunktionen besonders geeignet bzw. ungeeignet sind.

In der Ergänzung 2 von Kapitel 7 der Lerneinheit Fernerkundung mit Lasern erfahren Sie mehr über die molekularen Eigenschaften der Fluoreszenz.