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Lexikon der Geographie: SODAR

SODAR, Sonic Detection And Ranging, Schallradar, akustisches Radar, Impulsmessgerät, das zur zeit-höhenkontinuierlichen Vertikalsondierung der Temperaturstruktur (z.B. Erkennung von Inversionen und Konvektion) und des Windfelds in der atmosphärischen Grundschicht eingesetzt wird. Die SODAR-Messung basiert auf der Tatsache, dass die Schallausbreitung in der Grundschicht durch das Temperatur- und Windfeld beeinflusst wird. Das SODAR-Prinzip stellt wie das Radar ein Impulsmessverfahren dar, das heißt ein Signal wird vom Gerät erzeugt, ausgesendet und seine Reflexion wieder aufgenommen und gemessen. Mit einer monostatischen Antenne (Sende- und Empfangsantenne sind identisch) wird ein Schallimpuls ausgesendet und das an Temperaturinhomogenitäten (z.B. Inversionen) zurückgestreute Signal wieder empfangen ( Abb. 1 ). Die Intensität des Rückstreusignals ist proportional zum Temperaturstrukturparameter (C 2 T), der die mittlere quadratische Temperaturdifferenz zwischen zwei Höhenpunkten mit dem Abstand Δz repräsentiert:



mit T=Temperatur [K], z=Höhe über Grund [m]. Der Temperaturstrukturparameter steht mit der empfangenen Leistung eines monostatischen SODARs (Streuwinkel=180°) über die SODAR-Gleichung in direktem Zusammenhang:



mit P E=akustische Empfangsleistung, P t=akustische Sendeleistung, k=Wellenzahl der akustischen Welle, c=mittlere Schallgeschwindigkeit, τ=Pulsdauer, A=Antennenfläche, L=Schwächung der akustischen Welle, R=Abstand Antenne-rückstreuende Schicht und T=mittlere absolute Temperatur der sondierten Schicht.
Mit einem einfachen Vertikal-SODAR (eine vertikal ausgerichtete Schallantenne) können verschiedene Typen von Temperaturinhomogenitäten erfasst werden, indem die als SODARgramm aufgezeichnete akustische Empfangsleistung entsprechend ausgewertet wird. Zur Ableitung von Windfeldern werden Doppler-SODARs mit drei Schallantennen eingesetzt ( Abb. 2 ). Wenn sich die Luft mit den eingebetteten Temperaturinhomogenitäten in Bewegung befindet, erfährt die Frequenz des rückgestreuten Signals eine Verschiebung, die proportional zur Windkomponente und parallel zum Schallstrahl ist. Diese ergibt sich näherungsweise aus:



mit fd=Dopplerverschiebung (Frequenz), c = Schallgeschwindigkeit und fc=Sendefrequenz. Bei Regen kann keine Sondierung vorgenommen werden, da die auf das Empfangsmikrophon fallenden Tropfen Störlärm verursachen. Das Verfahren reagiert darüber hinaus sensitiv gegenüber einem hohen Schallpegel aus der Umgebung. Zur Messung von Windfeld und Temperaturprofilen werden heute vermehrt Mikrowellenverfahren und akustische Techniken im Verbund eingesetzt. Ein solches Messverfahren wird als RASS (Radio Acoustic Sounding System) bezeichnet.

JB


SODAR 1 SODAR 1: Messprinzip eines monostatischen SODARs. Über eine Schallantenne wird während der Pulsdauer um den Zeitpunkt T 0 ein kurzer Schallimpuls ausgesendet. Danach wird der Lautsprecher auf Empfang (Mikrophon) umgestellt und die von Temperaturinhomogenitäten zurückgestreuten Schallwellen empfangen. Die Zeitdifferenz zwischen Sendeimpuls I 0 und empfangenem Signal I N (Laufzeit) ist proportional zur Entfernung von der Schallquelle und damit ein Maß für die Höhenlage der Temperturinhomogenität. Die Intensität des empfangenen Signals (z.B. I 2) ist ein Maß für die Stärke der Inhomogenität.

SODAR 2: SODAR 2: Schall- und Radarantennen eines RASS. In der Mitte die drei großen Schallantennen, neben der vertikal ausgerichteten Schallquelle, sind zwei schräg geneigte Antennen mit einem Abstrahlwinkel <90° notwendig.
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Grafik:
Mathias Niemeyer (Leitung)
Ulrike Lohoff-Erlenbach
Stephan Meyer

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