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Die Neuerung betrifft eine unbemannte
Vorrichtung zur Erfassung von Messdaten in der Erdatmosphäre mit einem
Sondenballon, der eine Sondenanordnung mit zumindest einem Spektrometer zur
Analyse von gasförmigen
Spurenstoffen, einer meteorologischen Sonde zur Ermittlung weiterer
meteorologischer Messdaten, einer Datenverarbeitungseinheit, einer
Funkübertragungs-
einrichtung zur drahtlosen Übermittlung
der Analyseergebnisse an eine externe Empfangseinheit und einer
Stromversorgungseinheit trägt.
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Zur Beobachtung und zum Verständnis der physikalischen
und chemischen Prozesse in der Erdatmosphäre ist eine Messung der Vertikalverteilung
von meteorologischen Parametern (Druck, Temperatur, Feuchte, Wind)
und der Vertikalverteilung von Spurenstoffkonzentrationen notwendig.
Seit Beginn des 20. Jahrhunderts werden unbemannte Sondenballons
mit Sondenanordnungen zur Erforschung der Erdatmosphäre genutzt.
Mit der damals entstehenden Radiotechnik können heute die gemessenen Daten
direkt und unmittelbar an eine Bodenstation gefunkt, beim Aufstieg
des Sondenballons aufgezeichnet und elektronisch sofort weiterbearbeitet werden.
Routinemäßig werden
heute weltweit täglich drahtlos
funkende Sondenanordnungen zur Messung von Temperatur, Luftdruck,
Feuchtigkeit und Wind gestartet. Eine solche Sondenanordnung kann um
einen elektrochemischen Ozonsensor (ECC-Sensor) erweitert werden.
Standardmäßig wird ein
Aufstieg mit solch einer erweiterten Sondenanordnung an ca. 500
Stationen weltweit 1 bis 2 wöchentlich
durchgeführt,
um die Veränderungen
der Ozonschicht global zu beobachten.
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Neben dem chemischen Nachweis von
Ozon stehen optische Methoden in boden-, und satellitengestützten Instrumenten
zur Verfügung.
Hier wird aus genutzt, dass Ozon, wie Gase allgemein, elektromagnetische
Strahlung (Lichtwellen) in bestimmten Wellenlängen absorbiert. Die Intensitätsänderung des
Lichts in diesen charakteristischen Wellenlängen beim Weg durch die mit
dem Ozon angereicherte Atmosphäre
erlaubt dann einen Rückschluss
auf die Ozonkonzentration im Messbereich. Instrumente, wie Sonnen-
oder Sternphotometer, oder solche für die fouriertransformierte
Infrarotspektroskopie (FTIR) oder differenzielle optische Absorptionsspektroskopie
(DOAS) benutzen als Lichtquelle natürliche Lichtquellen wie Sonne,
Mond und Sterne, bei Geräten nach
dem LIDAR-Verfahren (Light Detection und Ranging) wird ein Laserstrahl
der in Frage kommenden Wellenlänge
erzeugt und in die zu analysierende Gasprobe eingestrahlt. Die mit
diesen Fernerkundungsmethoden vom Boden oder vom Satelliten ermittelten
Vertikalprofile der Erdatmosphäre
bedürfen jedoch
der Validierung mit Profilinformationen direkt aus den unterschiedlichen
Höhenschichten.
Deshalb gibt es einige dieser Geräte als ballon- oder raketengestützte Messsysteme
bzw. es werden Messungen an Bord von Flugzeugen durchgeführt.
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Die erste direkte Bestimmung der
vertikalen Ozonverteilung mit einer unbemannten Ballonsonde wurde
durch Regener mit dem Flug eines kleinen Spektrographen an einem
Sondenballon 1934 erzielt (vergleiche Veröffentlichung I von Regener
et al.: "Aufnahmen
des ultravioletten Sonnenspektrums in der Stratosphäre und vertikale
Ozonverteilung",
Physikalische Zeitschrift XXXV, 1934, pp 788–793). Die begrenzte Auflösung des
verwendeten Spektrographen sowie die zeitlich relativ große Differenz
zwischen aufeinanderfolgend aufgenommenen Spektren führten jedoch
zu Verschmierungseffekten. Das vertikale Ozonprofil konnte nur grob
erfasst werden. 1960 wurde die spektrographische Methode deshalb von
der elektrochemischen Methode abgelöst. Bei dieser Methode wird
während
des Aufstieges mittels einer kleinen Pumpe Luft angesaugt und durch
eine Kammer geführt.
Jedes Ozonmolekül
löst durch
eine chemische Reaktion den Transport von zwei Elektronen zu einer
weiteren elektrochemisch gekoppelten Kammer aus. Bei dieser Methode
können
die Ozonmoleküle über die Strommessung
gezählt
werden. Allerdings nimmt die Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit
der Ozonmessung mit elektrochemischen Methoden trotz Verwendung
von Fehlerkorrekturen oberhalb von 30 km in der Erdatmosphäre ab (vergleiche
Veröffentlichung
II von Komhyr et al.: "Electrochemical
concentration cell ozonesonde performance during storing STOIC 1989", Journal of geophysical
Research, Vol. 100, No. D5, pp 9231–9244, 1995).
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Mittlerweile wurden jedoch bessere
optische Messgeräte
sowie eine verbesserte Datenübertragung
entwickelt, sodass die optische ballongestützte Profilmessung wieder an
Bedeutung zurückgewonnen
hat. Insbesondere durch die Möglichkeit
der Messung verschiedener Spurenstoffe mit dem gleichen Gerät sowie
der nicht eingeschränkten
Höhentauglichkeit
sind optische Sonden für
die Validierung nunmehr sehr verbreitet. Aus einer Zusammenarbeit der
Universität
Heidelberg und des Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz wurde ein
speziell auf DOAS-Messungen in der Stratosphäre abgestimmtes Messinstrument
entwickelt. Das Gerät
misst im UV und VIS-Bereich die direkte Sonnenstrahlung. Durch eine
sofortige Analyse der Messdaten können dann vertikale Profile
von O3, NO2, NO3, BrO, OCIO, O4 und
H2O erstellt werden. Das Gerät hat jedoch
ein großes
Gewicht von 42 kg und kann nur an großen Sondenballons von speziellen
Ballonstartplätzen
(z. B. Esrange, Kiruna, Schweden) aus gestartet werden. Eine detaillierte
Beschreibung des optischen und mechanischen Aufbaus wird in der
Veröffentlichung
III: „Stratospheric
BrO profiles measured at different latitudes and seasons : Instrument
description, spectral analysis and profile retrieval" von F. Ferlemann
et al., Geophys. Research Lett., Vol. 25, No. 20, pp 3847–3850) gegeben.
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Optische Ozonsensoren mit relativ
geringem Gewicht wurden sowohl für
die Raketenanwendung als auch für
Sondenballonflüge
entwickelt (vergleiche Veröffentlichung
IV von R. Barnes et al.: „Design
of a rocket-borne radiometer for stratospheric ozone measurements", Rev. Sci.lnstrum.57
(4), April 1986, pp 544–551).
Dabei werden jedoch aus dem Sonnenspektrum nur zwei schmale Wellenlängenbereiche herausgefiltert
und gemessen. Dadurch können
zwar Gewicht und Preis der Sonde sehr gering gehalten werden. Betrachtet
wird jedoch nur ein Wellenlängenbereich,
in dem Ozon absorbiert wird, und eine Referenzwellenlänge, die
von Ozon relativ unbeeinflusst bleibt. Durch Quotientenbildung ist
es möglich, ein
vertikales Ozonprofil zu erstellen. Bei dieser bekannten Vorrichtung
gibt es jedoch keine Möglichkeit, mehrere
Spurengase gleichzeitig zu messen. Bislang werden dazu große, schwere
und teure Spektrometer eingesetzt, die die Verwendung entsprechend großer Sondenballons
und Startplätze
erfordern.
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Eine gattungsgemäße unbemannte Vorrichtung zur
Erfassung von Messdaten in der Erdatmosphäre mit einem Sondenballon,
der eine Sondenanordnung mit zumindest einem Spektrometer zur Analyse
von gasförmigen
Spurenstoffen, einer Datenverarbeitungseinheit, einer Funkübertragungseinrichtung
zur drahtlosen Übermittlung
der Analyseergebnisse an eine externe Empfangseinheit und einer Stromversorgungseinheit
trägt,
ist aus der
DE 101
22 139 A1 bekannt, von der die vorliegende Neuerung als
nächstliegendem
Stand der Technik ausgeht. Beschrieben wird ein fernlenkbarer Zeppelin
zur Detektion von Schadstoffkonzentrationen in der Luft, insbesondere
im Bereich von Abgasschornsteinen oder anderen luftverunreinigenden
Emissionsquellen. Zur Analyse der Luftproben wird vorzugsweise ein
Spektrometer verwendet, das sowohl orts- als auch zeitaufgelöst ein umfassendes
Fremdstoffprofil erstellen kann. Dabei ist es möglich, verschiedene Komponenten
der zu analysierenden Mischung in einem weiten Konzentrationsbereich
zu bestimmen. Bei dem verwendeten Spektrometer wirkt ein künstlich
erzeugter lonenstrahl auf eine gasförmige Mischung im zuvor erzeugten
Hochvakuum ein. Grundsätzlich
ist für
die Analyse daher die Erzeugung eines lonenstrahls (eigene Lichtquelle),
eines Hochvakuums (eigene Hochvakuumvorrichtung) und eine aufwändige Probennahme
(eigene Probennahmevorrichtung) am Sondenballon erforderlich. Die
Messungen können zur
Erstellung von Profilen in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen wiederholt
werden. Zusätzlich
werden für
Wettervorhersagen relevante Daten, wie Luftfeuchtigkeit, mit einer
meteorologischen Sonde analysiert Alle Ergebnisse werden in einem integrierten
Rechnermodul verarbeitet und über
Funk an eine externe Empfangseinheit übertragen. Dabei werden die übertragenen
Daten auch zur Steuerung des Zeppelins verwendet. Das verwendete
Spektrometer und die zugehörige
Ausrüstung
sind aber wiederum so schwer, dass nur große Spezialballons, in diesem
Fall sogar ein Zeppelin, verwendet werden können. Damit können aber
keine Messungen in der Stratosphäre,
sondern nur in der Troposphäre
durchgeführt
werden.
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Ausgehend von den Grundvoraussetzungen, dass
eine an einem Sondenballon getragene Sondenanordnung direkt in die
zu messenden Luftschichten eingebracht und mit einem optischen Verfahren
möglichst
mehrere Spurenstoffe gleichzeitig gemessen werden sollen, ist es
daher die Aufgabe für
die vorliegende Neuerung, eine gattungsgemäße Vorrichtung anzugeben, deren
Sondenanordnung mit einem Spektrometer mit einer einfachen und insbesondere
in Höhen
oberhalb von 30 km zuverlässigen Messmethode
arbeitet und die möglichst
klein, kompakt und leicht ist. Dadurch soll eine einfache Handhabbarkeit
durch wenig und weitgehend ungeschultes Personal mit uneingeschränkten Ballonstartmöglichkeiten
erreicht werden. Insbesondere durch nicht auszuschließende Verluste
der Sondenvorrichtung – wenn
der Sondenballon in großer
Aufstiegshöhe
unvermeidlich platzt – sollen
die Kosten und die Gefahren beim Absturz verringert werden. Die
Lösung
für diese
Aufgabe besteht bei der vorliegenden Neuerung neuerungsgemäß darin,
in der Sondenanordnung ein ultraleichtes optisches Miniaturspektrometer
mit einem großen
detektierbaren Spektralbereich vorzusehen, aus dessen Messung des
an einem Gitter spektral zerlegten Sonnenspektrums unter Kenntnis
der Theorie der Strahlungsabsorption einzelner Gase deren vertikale
Konzentrationsverteilung in der gemessenen Luftschicht ermittelt
werden kann.
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Bei der Neuerung wird unter Beibehaltung der
Vorteile eines geringen Gewichts und Preises des verwendeten Spektrometers
die gleichzeitige Messung mehrerer Spurengase ermöglicht.
Ein optisches Miniaturspektrometer in handelsüblicher Ausführungsform
kann eingesetzt werden, das gerade noch 270 g wiegt. Dabei misst
das verwendete Miniaturspektrometer während des Ballonaufstiegs das
spektral zerlegte Sonnenlicht und benötigt keine eigene Lichtquelle.
Die Strahlungsintensität
der Wellenlängen,
die durch vorhandene Gaskomponenten absorbiert werden, ändern sich
abhängig
von der jeweiligen Konzentration mit zunehmender Aufstiegshöhe. Durch
diesen großen
nutzbaren Spektralbereich können
gleichzeitig aufgrund ihres unterschiedlichen Absorptionsverhaltens
verschiedene Komponenten der zu analysierenden Gasmischung in der
Erdatmosphäre
detektiert und Vertikalprofile erstellt werden. Auf aufwändige Optiknachführungen
und eine vollständige
Temperatur- und Druckstabilisation kann zugunsten eines geringen
Gewichts der Sondenanordnung verzichtet werden. Ebenso ist eine
Datenübertragung
zu einer Bodenstation als externe Empfangseinheit mit einer handelsüblichen
Radiosonde als Funkübertragungseinrichtung
zur drahtlosen Übermittlung
der Analyseergebnisse möglich.
Dadurch und durch die Verwendbarkeit kleiner Sondenballons aufgrund
des erreichten geringen Gewichts der Sondenanordnung können die
einzelnen Sondenballon-Aufstiege autark und unabhängig von
den sehr wenigen weltweit verteilten großen Ballon-Ranges durchgeführt werden.
Der Datenempfang ist über die
Verwendung einer einfachen Antenne und eines Empfängers gewährleistet.
Dabei können
vorhandene Systeme (Radiosondenbodenstation der Standardsonden)
oder ein einfaches autarkes System benutzt werden. Neben der Messtechnik
wird auch die Analyse der Daten und die Ermittlung der Spurenstoffprofile
in einer benutzerfreundlichen Software in der Datenverarbeitungseinheit
verwirklicht.
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Schließlich sind noch eine meteorologische Sonde
zur Ermittlung weiterer meteorologischer Messdaten, insbesondere
zur Erfassung von Druck-, Temperatur- und Feuchtedaten, und eine
Temperatursonde in der Sondenanordnung vorgesehen. Aus den Druckmessdaten
kann eine Information über
die aktuelle Höhe
der Sondenanordnung abgeleitet werden. Die Kenntnis der Höhe ist erforderlich
zur Erstellung des Vertikalprofils der detektierten Spurenstoffe. Zusätzlich kann
in der Sondenanordnung eine Ortssonde vorgesehen sein, Hierbei kann
es sich beispielsweise um ein GPS handeln. Über das verzweigte Satellitensystem
kann dann die jeweils geographische Position der Sondenanordnung
ermittelt werden. Dadurch ist neben der Höheninformation (aus der Druckmessung)
auch die horizontale geographische Lage bekannt und ortsabhängige, zur
Errechnung der Vertikalkonzentrationen erforderliche Parameter (z.B.:
Sonnenhöhe)
können
genauer zugeordnet werden. Damit wird eine verbesserte Genauigkeit
erreicht. Die Temperatursonde misst die Temperatur im Innern der
Sondenanordnung. Deren Kenntnis ist zur korrekten Auswertung der
mit dem Miniaturspektrometer erfassten Messdaten erforderlich, da
diese Daten temperaturabhängig
sind. Vorteilhaft kann auch eine Einrichtung zur Temperaturstabilisierung
im Sondeninnenraum sein. Diese kann über eine Heiz- und/oder Kühlelement
aktiv in einer Regelschleife oder passiv vorgenommen werden. Dazu
können
beispielsweise kleine luftdicht verschlossene Wasserpacks verwendet
werden, die durch Gefrieren bei Temperaturen um den Nullpunkt die
Umgebungstemperatur stabil um den Gefrierpunkt halten.
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Weitere Einzelheiten zur vorliegenden
Neuerung und zu deren möglichen
Ausführungsformen sind
dem speziellen Beschreibungsteil zu der Figur entnehmen, die ein
schematisiertes Blockschaltbild der Neuerung zeigt.
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Eine unbemannte Vorrichtung 1 zur
Analyse von gasförmigen
Spurenstoffen in der Erdatmosphäre
besteht aus einem Sondenballon 2 und einer daran hängenden
Sondenanordnung 3. Diese umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel
zumindest ein ultraleichtes optisches Miniaturspektrometer 4 mit
einem großen
nutzbaren Spektralbereich, eine Datenverarbeitungseinheit 5,
eine Funkübertragungseinrichtung 6 zur
drahtlosen Übermittlung
der Analyseergebnisse an eine externe Empfangseinheit 7 und eine
Stromversorgungseinheit 83.
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Die Sondenanordnung 3 besteht
aus zwei vertikal nebeneinander angeordneten Styroporboxen 9, 10 auf
(Abmessungen ca. 345 mm × 210
mm × 90 mm), die
im Einsatzfall auch so an dem Sondenballon 2 hängen. In
der hinteren Styroporbox 9 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
die Funkübertragungseinrichtung 6 angeordnet,
die einen Modulator 11 und eine Antenne 12 umfasst.
Zusätzlich
sind in der hinteren Styroporbox 9 noch eine meteorologische
Sonde 13 zur zeitgleichen Erfassung von Messdaten bezüglich Temperatur,
Feuchte und Druck und eine Ortssonde 14 zur Erfassung des
aktuellen Aufenthaltsorts der Vorrichtung 1 angeordnet.
Bei der Ortssonde 14 kann es sich um eine GPS-Sonde (Global Positioning
System) handeln, die satellitenunterstützt arbeitet. Diese genannten
Funktionseinheiten sind im gewählten
Ausführungsbeispiel
in einer kommerziell erhältlichen
Radiosonde 15 zusammengefasst (beispielsweise Radiosonde
SRS–C34
der Firma Meteolabor AG, Wetzikon, Schweiz). Die Radiosonde 15 kann
Daten beispielsweise mit 2400 Baud auf einer einstellbaren Frequenz
zwischen 401 MHz und 407 MHz senden. Die Radiosonde 15 kann
Teil eines Radiosondierungssystems 16 sein, das zusätzlich in
einer Bodenstation 17 noch eine Antenne 18, einen Empfänger 19 und
ein Interface 20 umfasst (beispielsweise Radiosondierungssystem
Argus 37 der Firma Meteolabor AG, Wetzikon, Schweiz mit
Interface Argus 37 und Receiver AR8600 plus Antenne der
Firma AOR, Tokyo, Japan). Mit der Antenne 18 und dem Empfänger 19 werden
die Daten empfangen und über
das Interface 20 an einem PC 21 als externer Empfangseinheit 7 zur
weiteren Bearbeitung zur Verfügung
gestellt. Damit liegt ein autarkes Messsystem vor, das aufgrund
der geringen Größe und des
geringen Gewichts der Sondenanordnung 3 an beliebigen Orten
eingesetzt und mit einem gut handhabbaren, relativ kleinen Sondenballons 2 gestartet werden
kann.
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In der zweiten vorderen Styroporbox 10 sind das
das natürliche
Sonnenlicht nutzende Miniaturspektrometer 4 (beispielsweise
USB2000-UV-VIS der Firma Ocean Optics, Duiven, Niederlande) mit der
autarken Stromversorgungseinheit 8 (Batterien, 12 V) sowie
einer Lichteinkopplung 22 untergebracht. Diese weist im
gezeigten Ausführungsbeispiel
einen nach oben zeigenden Diffusor 23 (beispielsweise CC-3-UV
der Firma Ocean Optics) auf, der das durch die über der Sonde verbleibenden
Luftsäule
nicht absorbierte oder in seiner Intensität geschwächte Sonnenlicht einfängt, und
einem Lichtwellenleiter 24 (beispielsweise QP 400-050-SR-BX
der Firma Ocean Optics), der das eingefangene Sonnenlicht an das Miniaturspektrometer 4 zur
spektralen Erfassung weiterleitet. Anhand des ermittelten Wellenlängenspektrums
(Absorptionsspektrum) kann dann auf die vorhandenen Komponenten
in der untersuchten Atmosphäre
rückgeschlossen
werden. Eine Ausführungsform
der Sondenanordnung 3 ohne Diffusor 23 ist ebenfalls
möglich.
Dann kann die Sammlung der elektromagnetischen Strahlung indirekt über eine
andere Lichteinkopplung oder direkt mit der Geräteöffnung des Miniaturspektrometers 4 erfolgen.
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Der Datenverkehr in der Sondenanordnung 3,
der beispielsweise mit 2400 Baud TTL erfolgen kann, wird über die
Datenverarbeitungseinheit 5 gesteuert. Diese umfasst in
der Hauptsache ein elektronisches Controllerboard 25 (beispielsweise
Firma isitec, Bremerhaven, Deutschland), das mit einer besonders
benutzerfreundlichen Empfangssoftware (beispielsweise Firma impres,
Bremen, Deutschland) bedient wird. Die Entschlüsselung und Darstellung der
Daten erfolgt mit einer extra entwickelten Software. Über eine
temporäre
Schnittstelle zum externen PC 21 können Softwareupdates auf das
Controllerboard 25 eingespielt werden. Das Controllerboard 25 umfasst
unter anderem eine Zusatzplatine für eine Spannungsanpassung und
für die
Signalanalyse und Regelung sowie eine Speicherkarte mit RAM-Speicher
und verschiedene Schnittstellenmodule. Das Controllerboard 25 hat
zum einen die Kopplung von Daten der meteorologischen Sonde 13 (Druck,
Temperatur, Feuchtigkeit), der Ortssonde 14 (GPS) und von
Spektrometerdaten des Miniaturspektrometers 4 zur Aufgabe.
Dabei werden sowohl die Daten der Radiosonde 15 als auch
die Daten des Miniaturspektrometers 4 zunächst auf
dem Controllerboard 25 zusammengefasst und in versendbare
Datenpakete umgewandelt, die dann vom Controllerboard 25 über den
eingebauten Sender der Radiosonde 15 zur Bodenstation 17 übermittelt
werden. Zum anderen wird vom Controllerboard 25 eine Bewertung
und Auswahl der in einem Zeitintervall gemessenen Spektrometerdaten
getroffen.
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Weiterhin sind in der vorderen Styroporbox 10 eine
Temperatursonde 26 zur Messung der Temperatur und im gezeigten
Ausführungsbeispiel
eine Einrichtung zur Temperaturstabilisierung 27 vorgesehen.
Auf aufwändige
Optiknachführungen
und eine vollständige
Temperatur- und Druckstabilisation kann zugunsten eines geringen
Gewichts und eines günstigen
Preises der Sondenanordnung 3 verzichtet werden, ohne dadurch
eine große
Messwertverfälschung
hinnehmen zu müssen.
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen
handelt es sich um Beispiele. Andere Varianten, die den Charakter
der Neuerung – einfache
und preiswerte, gleichzeitige Messung möglichst vieler Komponenten
mit einem besonders leichten Miniaturspektrometer 4 – ebenfalls aufzeigen,
sind ebenso in die Neuerung mit einbezogen.
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- 1
- unbemannte
Vorrichtung
- 2
- Sondenballon
- 3
- Sondenanordnung
- 4
- Miniaturspektrometer
- 5
- Datenverarbeitungseinheit
- 6
- Funkübertragungseinrichtung
- 7
- externe
Empfangseinheit
- 8
- Stromversorgungseinheit
- 9
- hintere
Styroporbox
- 10
- vordere
Styroporbox
- 11
- Modulator
- 12
- Antenne
- 13
- meteorologische
Sonde
- 14
- Ortssonde
- 15
- Radiosonde
- 16
- Radiosondierungssystem
- 17
- Bodenstation
- 18
- Antenne
- 19
- Empfänger
- 20
- Interface
- 21
- PC
- 22
- Lichteinkopplung
- 23
- Diffusor
- 24
- Lichtwellenleiter
- 25
- Controllerboard
- 26
- Temperatursonde
- 27
- Einrichtung
zur Temperaturstabilisierung