Applied Physics B

, Volume 98, Issue 2–3, pp 537–548 | Cite as

Compact diode-laser spectrometer ISOWAT for highly sensitive airborne measurements of water-isotope ratios

  • C. Dyroff
  • D. Fütterer
  • A. Zahn


The tunable diode-laser absorption spectrometer ISOWAT for airborne measurements of the water-isotope ratios 18O/16O and D/H is described. The spectrometer uses a distributed feedback (DFB) diode laser to probe fundamental rovibrational water-absorption lines at around 2.66 μm. Very-low-noise system components along with signal averaging allow for a detection limit of 1.2 and 4.5 for measurements of 18O/16O and D/H, respectively, for a water-vapour mixing ratio of 100 ppmv and an averaging time of 60 s. This corresponds to a minimum detectable absorbance of ∼5×10−6 or ∼6.6×10−10 cm−1 when normalized to pathlength. In addition to its high sensitivity, the spectrometer is highly compact (19-inch rack at a height of 35 cm, excluding pump and calibration unit) and light weight (<40 kg total). The total power consumption is around 350 W, and the instrument is fully automated. ISOWAT will be calibrated during flight with known water-isotope ratios using a compact calibration-gas source.


07.57.Ty 42.62.Fi 42.68.Ca 


Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.


  1. 1.
    W. Roedel, Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre (Springer, Berlin, 1992) Google Scholar
  2. 2.
    J.T. Houghton, Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, C.A. Johnson (eds.), Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (Cambridge University Press, Cambridge, 2001) Google Scholar
  3. 3.
    D. Marsden, F.P.J. Valero, J. Atmos. Sci. 61, 745 (2004) CrossRefADSGoogle Scholar
  4. 4.
    H. Häckel, Meteorologie (Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart, 2005) Google Scholar
  5. 5.
    E.J. Moyer, F.W. Irion, Y.L. Yung, M.R. Gunson, Geophys. Res. Lett. 23, 2385 (1996) CrossRefADSGoogle Scholar
  6. 6.
    A. Zahn, J. Atmos. Chem. 39, 303 (2001) CrossRefGoogle Scholar
  7. 7.
  8. 8.
    L. Merlivat, J. Chem. Phys. 69, 2864 (1978) CrossRefADSGoogle Scholar
  9. 9.
    H.A.J. Meijer, W.J. Li, Isot. Environ. Health Stud. 34, 349 (1998) CrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    V.H. Payne, D. Noone, A. Dudhia, C. Piccolo, R.G. Grainger, Q. J. R. Meteorol. Soc. 133, 1459 (2007) Google Scholar
  11. 11.
    J. Steinwagner, M. Milz, T. von Clarmann, N. Glatthor, U. Grabowski, M. Höpfner, G.P. Stiller, T. Röckmann, Atmos. Chem. Phys. 7, 2601 (2007). ADSGoogle Scholar
  12. 12.
    P. Franz, T. Röckmann, Atmos. Chem. Phys. 5, 2949 (2005). CrossRefADSGoogle Scholar
  13. 13.
    J. Worden, K. Bowman, D. Noone, R. Beer, S. Clough, A. Eldering, B. Fisher, A. Goldman, M. Gunson, R. Herman, S.S. Kulawik, M. Lampel, M. Luo, G. Osterman, C. Rinsland, C. Rodgers, S. Sander, M. Shephard, H. Worden, J. Geophys. Res. 111, D16309 (2006) CrossRefADSGoogle Scholar
  14. 14.
    R. Nassar, P.F. Bernath, C.D. Boone, A. Gettelman, S.D. McLeod, C.P. Rinsland, J. Geophys. Res. 112, D21305 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  15. 15.
    C.R. Webster, A.J. Heymsfield, Science 302, 1742 (2003) CrossRefADSGoogle Scholar
  16. 16.
    C.R. Webster, R.D. May, C.A. Trimble, R.G. Chave, J. Kendall, Appl. Opt. 33, 454 (1994) CrossRefADSGoogle Scholar
  17. 17.
    E. Kerstel, R. Iannone, M. Chenevier, S. Kassi, H.J. Jost, D. Romanini, Appl. Phys. B 85, 397 (2006). doi: 10.1007/s00340-006-2356-1 CrossRefADSGoogle Scholar
  18. 18.
    R.Q. Iannone, S. Kassi, H.J. Jost, M. Chenevier, D. Romanini, H.A.J. Meijer, S. Dhaniyala, M. Snels, E.R.T. Kerstel, Isot. Environ. Health Stud. 45, 68–80 (2009). doi: 10.1080/10256010903172715 CrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    T.F. Hanisco, E.J. Moyer, E.M. Weinstock, J.M.S. Clair, D.S. Sayres, J.B. Smith, R. Lockwood, J.G. Anderson, A.E. Dessler, F.N. Keutsch, J.R. Spackman, W.G. Read, T.P. Bui, Geophys. Res. Lett. 34, 4814 (2007). doi: 10.1029/2006GL027899 CrossRefGoogle Scholar
  20. 20.
    D.S. Sayres, E.J. Moyer, T.F. Hanisco, J.M.S. Clair, F.N. Keutsch, A. O’Brien, N.T. Allen, L. Lapson, J.N. Demusz, M. Rivero, T. Martin, M. Greenberg, C. Tuozzolo, G.S. Engel, J.H. Kroll, J.B. Paul, J.G. Anderson, Rev. Sci. Instrum. 80, 044102 (2009). doi: 10.1063/1.3117349. CrossRefADSGoogle Scholar
  21. 21.
    J.M. St. Clair, T.F. Hanisco, E.M. Weinstock, E.J. Moyer, D.S. Sayres, F.N. Keutsch, J.H. Kroll, J.N. Demusz, N.T. Allen, J.B. Smith, J.R. Spackman, J.G. Anderson, Rev. Sci. Instrum. 79, 064101 (2008). doi: 10.1063/1.2940221. CrossRefADSGoogle Scholar
  22. 22.
    E.J. Moyer, T.F. Hanisco, D.S. Sayres, J. St. Clair, F.N. Keutsch, N.T. Allen, L.R. Lapson, E.M. Weinstock, J.S. Smith, J.B. Paul, J.G. Anderson, in Field Laser Applications in Industry and Research (FLAIR) (Florence, Italy, 2007) Google Scholar
  23. 23.
    C.A.M. Brenninkmeijer, P. Crutzen, F. Boumard, T. Dauer, B. Dix, R. Ebinghaus, D. Filippi, H. Fischer, H. Franke, U. Frieß, J. Heintzenberg, F. Helleis, M. Hermann, H.H. Kock, C. Koeppel, J. Lelieveld, M. Leuenberger, B.G. Martinsson, S. Miemczyk, H.P. Moret, H.N. Nguyen, P. Nyfeler, D. Ora, D. O’Sullivan, S. Penkett, U. Platt, M. Pupek, M. Ramonet, B. Randa, M. Reichelt, T.S. Rhee, J. Rohwer, K. Rosenfeld, D. Scharffe, H. Schlager, U. Schumann, F. Slemr, D. Sprung, P. Stock, R. Thaler, F. Valentino, P. van Velthoven, A. Waibel, A. Wandel, K. Waschitschek, A. Wiedensohler, I. Xueref-Remy, A. Zahn, U. Zech, H. Ziereis, Atmos. Chem. Phys. 7, 4953 (2007) ADSGoogle Scholar
  24. 24.
    L. Rothman, I. Gordon, A. Barbe, D. Benner, P. Bernath, M. Birk, V. Boudon, L. Brown, A. Campargue, J.P. Champion, K. Chance, L. Coudert, V. Dana, V. Devi, S. Fally, J.M. Flaud, R. Gamache, A. Goldman, D. Jacquemart, I. Kleiner, N. Lacome, W. Lafferty, J.Y. Mandin, S. Massie, S. Mikhailenko, C. Miller, N. Moazzen-Ahmadi, O. Naumenko, A. Nikitin, J. Orphal, V. Perevalov, A. Perrin, A. Predoi-Cross, C. Rinsland, M. Rotger, M. Simecková, M. Smith, K. Sung, S. Tashkun, J. Tennyson, R. Toth, A. Vandaele, J.V. Auwera, J. Quant. Spectros. Radiat. Transfer 110, 533 (2009). doi: 10.1016/j.jqsrt.2009.02.013. HITRAN CrossRefADSGoogle Scholar
  25. 25.
    L. Gianfrani, G. Gagliardi, M. van Burgel, E.R.T. Kerstel, Opt. Express 11, 1566 (2003) ADSCrossRefGoogle Scholar
  26. 26.
    E.R.T. Kerstel, R. van Trigt, N. Dam, J. Reuss, H.A.J. Meijer, Anal. Chem. 71, 5297 (1999) CrossRefGoogle Scholar
  27. 27.
    C. Dyroff, Tunable Diode-Laser Absorption Spectroscopy for Trace-Gas Measurements with High Sensitivity and Low Drift. Ph.D. thesis, University of Karlsruhe (TH), ISBN: 978-3-86644-328-0 (2009).
  28. 28.
    C. Gurk, H. Fischer, P. Hoor, M.G. Lawrence, J. Lelieveld, H. Wernli, Atmos. Chem. Phys. 8, 6395 (2008) CrossRefADSGoogle Scholar
  29. 29.
    J.E. Collins, G.W. Sachse, B.E. Anderson, A.J. Weinheimer, J.G. Walega, B.A. Ridley, Geophys. Res. Lett. 20, 2543 (1993) CrossRefADSGoogle Scholar
  30. 30.
    S.E. Strahan, J. Geophys. Res. 104, 30463 (1999) CrossRefADSGoogle Scholar
  31. 31.
    E. Kerstel, Handbook of Stable Isotope Analytical Techniques (Elsevier, Amsterdam, 2004) Google Scholar
  32. 32.
    J.B. McManus, P.L. Kebabian, M.S. Zahniser, Appl. Opt. 34, 3336 (1995) CrossRefADSGoogle Scholar
  33. 33.
    K. Rößner, M. Hümmer, T. Lehnhardt, M. Müller, A. Forchel, IEEE Photonics Technol. Lett. 18, 1424 (2006) CrossRefADSGoogle Scholar
  34. 34.
    R.N. Hager Jr., R.C. Anderson, J. Opt. Soc. Am. 60, 1444 (1970) CrossRefADSGoogle Scholar
  35. 35.
    P. Werle, Spectrochim. Acta, Part A 54, 197 (1998) CrossRefADSGoogle Scholar
  36. 36.
    T. Iguchi, J. Opt. Soc. Am. 3, 419 (1986) CrossRefADSGoogle Scholar
  37. 37.
    P. Werle, P. Mazzinghi, F. D’Amato, M.D. Rosa, K. Maurer, F. Slemr, Spectrochim. Acta, Part A 60, 1685 (2004) CrossRefADSGoogle Scholar
  38. 38.
    M.F. Miller, Geochim. Cosmochim. Acta 66, 1881 (2002). doi: 10.1016/S0016-7037(02)00832-3 CrossRefADSGoogle Scholar
  39. 39.
    J.R. Gat, Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 24, 225 (1996) CrossRefADSGoogle Scholar
  40. 40.
    D. Wagenbach, Personal communication (2008) Google Scholar
  41. 41.
    B.P. Wert, A. Fried, S. Rauenbuehler, J. Walega, B. Henry, J. Geophys. Res. 108, 4350 (2003). doi: 10.1029/2002JD002872 CrossRefGoogle Scholar
  42. 42.
    J.A. Silver, A.C. Stanton, Appl. Opt. 27, 1914 (1988) CrossRefADSGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 2009

Authors and Affiliations

  1. 1.Research Centre KarlsruheInstitute of Meteorology and Climate ResearchEggenstein-LeopoldshafenGermany

Personalised recommendations