Ergänzung 2.19: Der Laserfluorosensor (3/5)

Messung der Filmdicke von Ölverschmutzungen

Auch viele Substanzen, die man in sauberen Gewässern findet, erzeugen bei Beleuchtung mit Lasern charakteristische Signale. Hierzu gehört das Chlorophyll a, das in kleinen Algen - dem sogenannten Phytoplankton - enthalten ist und einen Teil des absorbierten Lichts im roten Spektralbereich bei 685 nm als Fluoreszenzlicht emittiert. Proteine, die in Bakterien und Algen enthalten sind, können im Ultraviolett fluoreszieren. Wasserlösliche Huminstoffe, die bei der Verrottung von Pflanzen auf dem Festland entstehen, werden mit den Flüssen in das Meer verfrachtet; solche Huminstoffe entstehen auch im Meer durch absterbende Algen. Sie absorbieren Licht im UV und Blau, weshalb sie im Tageslicht gelblich erscheinen und als Gelbstoffe bezeichnet werden. Ihre Fluoreszenz erstreckt sich über den ganzen sichtbaren Bereich.

Die Moleküle des Wassers streuen das Licht. Neben der Rayleigh-Streuung, welche die blaue Farbe sehr sauberer Gewässer bei Sonnenschein erzeugt, gibt es auch einen als Raman-Streuung bezeichneten Effekt. Für den Raman-Effekt ist charakteristisch, dass das gestreute Licht zu einer größeren Wellenlänge hin verschoben ist. Beleuchtet man das Wasser mit monochromatischem Laserlicht, so ergibt sich im Spektrum ein charakteristischer Peak der Raman-Streuung, wie es die Grafik unten zeigt.

Emissionsspektrum einer Wasserprobe aus der Nordsee bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht mit der Wellenlänge 270 nm. Der schmale Peak bei 300 nm ist die Raman-Streuung der Wassermoleküle. Die Fluoreszenz von Substanzen im Wasser ist spektral deutlich breiter. Bei etwa 340 nm findet man die Fluoreszenz von Proteinen in Algen und Bakterien, bei 685 nm die Fluoreszenz des Algenpigments Chlorophyll a, und spektral sehr breit mit einem Maximum bei etwa 450 nm die Fluoreszenz von Gelbstoffen, die aus gelösten organischen Huminstoff-Molekülen bestehen.

Beleuchtet man die Wasseroberfläche vom Flugzeug aus mit Laserlicht, so werden - je nach Konzentration von Algen und Huminstoffen - solche Signale gemessen. Befindet sich Öl auf dem Wasser, und ist der Film nicht zu dick, so werden die Signale des Wassers durch den teilweise transparenten Ölfilm gedämpft. Sie verschwinden, wenn der Film so dick wird, dass das Laserlicht im Öl vollständig absorbiert wird.

Die Raman-Streuung des Wassers erzeugt - siehe Grafik links - einen charakteristischen schmalen Peak. Die Messung seiner Höhe erlaubt es, die Filmdicke von Öl auf der Wasseroberfläche zu berechnen. Wegen der hohen Absorption ultravioletter Strahlung in Öl lassen sich mit diesem Verfahren Filme mit Dicken im Bereich weniger Mikrometer bestimmen, wie in der Grafik unten zu sehen ist.

Raman-Streuung von reinem Wasser ohne fluoreszierende Beimengungen und ohne Öl (0 μm) bei Beleuchtung mit Laserstrahlung der Wellenlänge 308 nm von oben, wie bei einer Messung mit einem Laserfluorosensor über dem Meer. Mit zunehmender Dicke eines Ölfilms (angegeben in μm) auf der Wasseroberfläche nimmt die Raman-Intensität ab. Die Fluoreszenz des Öls steigt mit zunehmender Filmdicke. Bei einem 8 μm dicken Film beobachtet man keine Raman-Intensität mehr, da das Laserlicht diesen Film nicht mehr durchdringt.

Wie dünn sind Ölfilme? ↓

Bestrahlt man Öl auf der Wasseroberfläche mit Laserlicht, so wird das Licht im Öl teilweise absorbiert. Im Öl wird das Licht nach einer Exponenzialfunktion über die Filmdicke d geschwächt:

I (d) = I_{o} e^{- a_{L a s e r} d}

Hier ist I_o die Intensität des Laserlichts an der Oberfläche, I(d) die Intensität des Laserlichts nach Durchlaufen der Filmdicke d, a_Laser der Absorptionskoeffizient des Öls bei der Wellenlänge des Laserlichts. Dies ist das Lambertsche Absorptionsgesetz für Licht in absorbierenden Stoffen.

Der Absorptionskoeffizient a hat die Dimension einer inversen Länge. Gibt man die Filmdicke des Öls - wie in der Grafik oben - in μm an, so hat der Absorptionskoeffizient die Einheit 1/μm.

Das Laserlicht erzeugt im Wasser Raman-Streuung. Das Raman-Streulicht durchläuft wieder den Ölfilm und wird teilweise absorbiert. Bezeichnet man die von oben gemessene Raman-Intensität mit I_mess, so ist:

I_{m e s s} = I (d) e^{- a_{R a m a n} d} = I_{o} e^{- (a_{L a s e r} + a_{R a m a n}) d}

a_Raman bezeichnet den Absorptionskoeffizient bei der Wellenlänge, bei der die Raman-Streuung auftritt. Nimmt man an, die Absorptionskoeffizienten bei der Laser- und der Raman-Wellenlänge sind gleich, so vereinfacht sich dies zu:

I_{m e s s} = I_{o} e^{- 2 a d}

Ein Nachteil der Methode ist, dass man die Ausbeute des Raman-Streulichts im Wasser nicht kennt. Ihr Wert hängt nicht nur von der Intensität I_o des Laserlichts ab, sondern auch von der Absorption des Wassers durch Algen, andere Schwebeteilchen und Gelbstoff: klares Wasser erzeugt mehr Raman-Streuung als trübes Wasser. Wenn das Wasser in der Umgebung des Ölflecks eine konstante Absorption aufweist, ist auch die Ausbeute für Raman-Streuung konstant. Dann kann man die Raman-Signale I_Wasser des ölfreien Wassers als Referenzsignal ansehen, das durch Öl auf dem Wasser geschwächt wird. Das Raman-Signal über einem Ölfilm ist dann:

I_{Ö l, W a s s e r} = I_{W a s s e r} e^{- 2 a d}

Diese Beziehung wird in der Praxis genutzt, um die Filmdicke von Ölflecken mit dem Laserfluorosensor vom Flugzeug aus zu bestimmen.

Aufgabe:
In der oben gezeigten Grafik ist die Abnahme der Raman-Streuung des Wassers durch einen Ölfilm mit bekannter Dicke d zu sehen.

Das Signal von ölfreiem Wasser ist I_Wasser=1. Wir nehmen an, der Absorptionskoeffizient sei a=1,0. Berechnen Sie bitte mit dieser Annahme I_Öl,Wasser für Filme mit der Dicke d=0, 1, 2, 4 und 8 μm.
Schätzen Sie aus der oben gezeigten Grafik die tatsächliche Abnahme von I_Öl,Wasser ab, und berechnen Sie aus diesen Daten den Absorptionskoeffizient des Öls.

In der Ergänzung 3 von Kapitel 7 der Lerneinheit Fernerkundung mit Lasern erfahren Sie mehr über die molekularen Eigenschaften der Raman-Streuung.

Die Theorie der Lidar-Signale von geschichteten Strukturen, wie sie beispielsweise bei Ölfilmen auf der Wasseroberfläche vorliegen, wird in der Ergänzung 1 des Kapitels 7 der Lerneinheit Fernerkundung mit Lasern vorgestellt.

Verschmutzung der Meere

Ergänzung 2.19: Der Laserfluorosensor (3/5)

Messung der Filmdicke von Ölverschmutzungen