D1 Satellitenfernerkundung

Thema

Die Satellitenfernerkundung umfasst Techniken zur Messung der elektromagnetischen Strahlung, die von der Atmosphäre und der Erdoberfläche aus dem Weltraum ausgesendet oder reflektiert wird. Ihr Hauptvorteil liegt in der globalen, systematischen und wiederholbaren Abdeckung, die mit bodengestützten Instrumenten allein nicht zu erreichen ist. Meteorologische Satelliten nutzen hauptsächlich zwei Arten von Umlaufbahnen, die jeweils unterschiedliche Vorteile hinsichtlich Beobachtungsfrequenz und räumlicher Auflösung bieten.

Geostationäre Satelliten umkreisen die Erde in einer Höhe von etwa 36.000 km über dem Äquator und scheinen relativ zu einem festen Punkt auf der Erdoberfläche fixiert zu sein. Dadurch können sie kontinuierlich ein großes Gebiet der Erde beobachten und alle paar Minuten Bilder erzeugen. Ihre große Entfernung begrenzt jedoch ihre räumliche Auflösung im Vergleich zu Satelliten in niedrigeren Umlaufbahnen. Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn (LEO) fliegen deutlich näher an der Erde, typischerweise in einer Höhe von mehreren hundert Kilometern. Durch ihre Bewegung um die Erde liefern sie eine höhere räumliche Detailgenauigkeit, jedoch wird jedes Gebiet seltener beobachtet, und die globale Abdeckung wird durch aufeinanderfolgende Umlaufbahnen aufgebaut. Geostationäre Satelliten nutzen unterschiedliche Spektralkanäle. Sichtbare Kanäle erfassen die von Wolken und der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung. Thermische Infrarotkanäle detektieren die von der Erde emittierte Strahlung und ermöglichen so die Bestimmung der Helligkeitstemperaturen von Oberfläche und Wolken. Wasserdampfsensitive Kanäle beobachten spezifische Infrarotbänder, insbesondere um 6 µm, wo Wasserdampf Strahlung stark absorbiert. Dies ermöglicht die Überwachung der atmosphärischen Feuchtigkeitsverteilung und -bewegung, selbst in Regionen, in denen Wolken nicht deutlich sichtbar sind. Satelliten in polaren Umlaufbahnen tragen weitere Spezialinstrumente. Mikrowellenradiometer beobachten verschiedene Frequenzen und liefern Informationen über atmosphärische Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie über Größen im Zusammenhang mit flüssigem Wasser und Niederschlag. Streuungsmesser senden Mikrowellensignale zur Meeresoberfläche und messen deren Rückstreuung. Die Abhängigkeit der Rückstreuung von der Oberflächenrauigkeit ermöglicht die Abschätzung von Windgeschwindigkeit und -richtung. Die Radiookkultation nutzt Signale von Navigationssatelliten: Beim Durchgang durch die Atmosphäre werden diese Signale gebrochen, und die Analyse dieser Brechung ermöglicht die Erstellung hochauflösender vertikaler Profile der atmosphärischen Eigenschaften. Alle diese Instrumente basieren auf gemeinsamen physikalischen Prinzipien, um die aufgezeichneten Signale in meteorologische Größen umzuwandeln. Die Strahlungstransportgleichung beschreibt, wie Strahlung beim Durchgang durch die Atmosphäre emittiert, absorbiert und transmittiert wird. Die schließlich den Sensor erreichende Strahlung enthält somit Informationen über die Temperatur und Zusammensetzung der durchquerten Schichten. Für Wärmestrahlung stellt das Plancksche Strahlungsgesetz den Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Körpers und der von ihm emittierten Strahlung her und bildet die Grundlage für die Umrechnung der gemessenen Strahlung in die Helligkeitstemperatur.

Vor diesen Umrechnungen ist eine Instrumentenkalibrierung erforderlich. Die Detektoren erzeugen zunächst elektrische Signale, die mithilfe sensorspezifischer Verfahren in physikalische Strahlungswerte umgerechnet werden müssen. Die endgültige Genauigkeit hängt daher von der gesamten Beobachtungskette ab: den Orbitaleigenschaften, der räumlichen und spektralen Auflösung, der Instrumentenempfindlichkeit, der Kalibrierung und den Algorithmen zur Bestimmung der atmosphärischen Variablen. Geostationäre Satelliten zeichnen sich durch ihre hohe zeitliche Auflösung aus, die eine schnelle Überwachung der Entwicklung von Wolken- und Wettersystemen ermöglicht, während Polarsatelliten detailliertere räumliche Beobachtungen und Atmosphärenprofile liefern, die durch verschiedene Sensoren gewonnen werden. Die Kombination beider Plattformen sowie die physikalischen Gesetze, die die Interpretation der gemessenen Strahlung bestimmen, ermöglichen es, die Entwicklung der Atmosphäre und der Erdoberfläche auf planetarischer Ebene kontinuierlich und systematisch zu beobachten.

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