Atmospheric absorption models for the millimeter wave range

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This thesis deals with absorption models of water vapor, oxygen and nitrogen which are part of the Atmospheric Radiative Transfer System, Arts which is a joint development of the Department of Radio and Space Science, Chalmers University of Technology, Göteborg (Sweden) and the Institute of Environmental Physics, University of Bremen, iup/sat-Bremen. Arts is designed to be used in remotely sensed data analysis. Since the absorption models are embedded in the broader frame of the radiative transfer equation, the main physical concepts of the transfer of electromagnetic radiation through the Earth’s atmosphere are discussed. Furthermore a theoretical basis of absorption and emission processes in connection with molecular rotational transitions is outlined. After the theoretical part a detailed comparison of different absorption models is performed which are presently used operationally in remote sensing data analysis. This comparison concentrates on models for oxygen, nitrogen, and water vapor especially for the frequency range of 1-1000 GHz. In a next step a new water vapor absorption model, named AAM02, for the 1-1000 GHz frequency range is built up. AAM02 uses for the H2O-line absorption term various data bases while the continuum absorption term is fitted to laboratory data. The AAM02 and other water vapor absorption models are then compared to different laboratory and free atmosphere measurements. A summary and conclusions complete this work. 3 4 Zusammenfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Absorptionsmodellen für Wasserdampf (H2O), molekularen Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2). Diese Modelle sind Bestandteil des Strahlungstransfermodells Arts (Atmospheric Radiative Transfer System). Arts wird für die Auswertung von Fernerkundungsdaten eingesetzt und ist ein Gemeinschaftsunternehmen des Department of Radio and Space Science, Chalmers University of Technology, Göteborg (Schweden) und des Instituts für Umweltphysik der Universität Bremen, iup/sat-Bremen. Da Absorptionsmodelle in einem grösseren Rahmen von Strahlungstransfermodellen eingebettet sind, wird zuerst ein Überblick über den Transprot von elektromagnetischer Strahlung durch die Erdatmosphäre gegeben. Danach werden einzelne Aspekte zur Absorption und Emission von Strahlung in Zusammenhang mit Dipolübergängen von Molekülen disskutiert. Nach dem einführenden theoretischen Teil werden verschiedene operationell eingesetzte Absorptionsmodelle für Wasserdampf, Sauerstoff und Stickstoff miteinander verglichen. Hierbei konzentriert sich der Vergleich auf Modelle für den Frequenzbereich von 1 bis 1000 GHz. Als nächsten Schritt wird ein neues Wasserdampfabsorptionsmodell, AAM02, entwickelt. Für den Spektrallinienabsorptionsteil sind verschiedene publiziete Datensätze verwendet worden. Die Differenz zwischen im Labor gemessenen Absorptionswerten und modellierten Spektrallinienabsorption wird als Kontinuumsabsorption aufgefasst und dessen Parameter mit statistischen Methoden bestimmt. AAM02 und andere Wasserdampfabsorptionsmodelle werden im fünften Kapitel mit verschiedenen Messdaten (Labormessungen und Messungen der freien Atmosphäre) verglichen. Eine Zusammenfassung und abschliessende Bewertung befindet sich im sechsten Kapittel. 5 6 Glossary symbol description AAM02 Arts Absorption Model ACF autocorrelation function (Section 2.2) ADA adiabatic approximation (Section C.1.1)