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Elektromagnetische Strahlung kann auf dem Weg durch die Atmosphäre an Teilchen gestreut und von diesen absorbiert werden, wobei unter Teilchen hier alle Dimensionen verstanden werden sollen, von Luftmolekülen über Aerosolpartikel bis zu Wolken- und Regentropfen sowie Eisteilchen.

Diese Streuung und Absorption wird bestimmt durch die Größe des Teilchens, seiner Querschnittsfläche, und weiter durch die Wechselwirkung der Strahlung mit dem Material des Teilchens. Die Materialeigenschaft, die für die Streuung und Absorption eines Teilchens relevant ist, ist dessen Brechungsindex. Dieser ist aus der Schule bekannt als Maß für die Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle beim Übergang von Luft in Glas oder Wasser. Für genauere Betrachtungen ist der Brechungsindex als komplexe Zahl zu behandeln, wobei der Realteil die Streueigenschaften und der Imaginärteil die Absorptionseigenschaften bestimmt. Der Brechungsindex ist natürlich wieder variabel mit der Wellenlänge. Bei genauer Betrachtung der Streueigenschaften ist auch noch die Form des Teilchens von Bedeutung, die aber häufig vernachlässigt wird, indem die Teilchen als kugelförmig behandelt werden. Wenn die Form eines Teilchens stark von einer Kugel abweicht, wie das für z. B. für Wüstenaerosol gilt, aber trotzdem mit der Kugelapproximation gearbeitet werden soll, wird aus der mittleren Querschnittsfläche der Teilchen ein Kugelradius bestimmt. Für sehr große Partikel, wie Eiskristalle, kann deren tatsächliche Form mittels geometrischer Optik berücksichtigt werden.

Die Fläche, mit der ein Teilchen der Strahlung „im Weg steht“, bestimmt die Wirkung des Partikels unmittelbar. Für kugelförmige Teilchen ist diese Fläche π • r². Um die tatsächliche Wechselwirkung zwischen Teilchen und Strahlung anzugeben, muss der Teilchenquerschnitt mit der sogenannten Extinktionseffizienz, Q, multipliziert werden, die wieder in einen Streu- und einen Absorptionsterm getrennt werden kann. Diese Effizienz wird nicht durch die absolute Größe des Teilchens bestimmt, sondern durch seine Größe im Verhältnis zur Wellenlänge der Strahlung. Dieses Verhältnis wird als Größenparameter x bezeichnet, wobei Radius und Wellenlänge mit der gleichen Einheit angesetzt werden.

Bei fester Größe von extingierenden Teilchen ist der Effekt, den sie auf Strahlung ausüben, also stark von deren Wellenlänge abhängig. In der Satellitenmeteorologie gilt, dass in jeder zu untersuchenden Atmosphäre die Teilchen aktuell gegebene, feste Eigenschaften haben und damit auch Größe und Größenverteilung. Da aber verschiedene Wellenlängen zur Fernerkundung verwendet werden, ergeben sich ganz unterschiedliche Größenparameter. Damit ist die Wirkung der zu erkundenden Teilchen in Bezug auf Streuung und Absorption bei verschiedenen Wellenlängen ganz verschieden.

In Abbildung 3.5 ist als Beispiel Strahlung mit einer festen Wellenlänge gezeigt, die auf verschieden große Teilchen trifft. An Stelle der geänderten Teilchengröße bei fester Wellenlänge könnte auch, wie eben diskutiert, Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen betrachtet werden die auf ein Teilchen mit festem Radius trifft. Die Überlegungen würden zu den gleichen Ergebnissen führen, da die Strahlungseigenschaften von kugelförmigen Teilchen ja nur von dem Verhältnis von Radius zu Wellenlänge abhängen

Abb. 3.5

Strahlung einer bestimmten Wellenlänge, die auf unterschiedlich große Teilchen trifft. Oben: Teilchen rot, Radius 1/10 der Wellenlänge. Mitte: Teilchen blau, Radius zehnmal so groß wie die Wellenlänge. Unten: Teilchen grün, Radius gleich der Wellenlänge. Aus Radius und Wellenlänge resultieren die eingetragenen Größenparameter x.

Im oberen Teil von Abbildung 3.5 hat das Teilchen (rot) einen Radius, der nur ein Zehntel der Wellenlänge beträgt. Im unteren Teil der Abbildung ist angenommen, dass der Radius des Teilchens (grün) genau so groß ist wie die Wellenlänge. Und im mittleren Teilbild ist der Radius des Teilchens (blau) als zehnmal so groß wie die Wellenlänge angenommen – mit dem Ergebnis, dass das Teilchen in der Abbildung nicht vollständig gezeigt werden kann. Die resultierenden Größenparameter sind rund x = 0,63, x = 6,3 und x = 63. In der Natur können die Verhältnisse von Teilchenradius zu Wellenlänge noch mehr als einen Faktor zehn größer oder kleiner sein. Das ist aber in einer Abbildung mit linearer Skala nicht darstellbar. In Abbildung 3.6, in der die Größen von allen in der Atmosphäre vorkommenden Teilchen und alle zur Satellitenmeteorologie verwendeten Wellenlängen gezeigt werden, ist deshalb ein logarithmischer Maßstab gewählt. Die Konsequenzen aus Abb. 3.5 in Bezug auf die Streueffizienz von Teilchen werden im nächsten Kapitel erläutert.