D1 Satellitenfernerkundung

Thema

Die satellitengestützte Fernerkundung der Ozeane misst von orbitalen Plattformen aus die Eigenschaften der Meeresoberfläche und der darunter liegenden Wassersäule. Dabei kommen zwei Sensortypen zum Einsatz: passive Sensoren, die die vom Ozean selbst emittierte oder reflektierte Strahlung messen, und aktive Sensoren, die ein eigenes Signal aussenden und dessen Rückkehr nach der Wechselwirkung mit dem Wasser messen. Es ist die einzige Methode, die eine wirklich globale Abdeckung mit Aktualisierungen alle paar Tage oder Wochen ermöglicht und somit unerlässlich für die Überwachung großräumiger Phänomene wie El Niño, Meereswirbelzirkulation, Phytoplanktonblüten und Meeresspiegelanstieg ist. Dadurch ist sie heute das umfassendste Instrument zur Überwachung der Ozeane als Ganzes.

Die Meeresoberflächentemperatur wird mittels thermischer Infrarotradiometrie gemessen: Der Ozean emittiert Infrarotstrahlung mit einer Intensität, die gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz mit der vierten Potenz seiner Temperatur zunimmt. Der Sensor misst diese Strahlung als „Helligkeitstemperatur“ in verschiedenen Infrarotkanälen. Durch den Vergleich dieser Kanäle untereinander lässt sich die Absorption durch die Atmosphäre zwischen Ozean und Satellit korrigieren. Bei klaren Gewässern erreicht diese Technik eine Genauigkeit von einem Zehntel bis fünf Zehntel Grad.

Satellitenaltimetrie hingegen misst nicht die Temperatur, sondern die Entfernung zwischen Satellit und Meeresoberfläche. Dies geschieht mit einer Genauigkeit von ein bis zwei Zentimetern mithilfe eines im Ku-Band arbeitenden Radars. Diese präzise Entfernungsmessung ermöglicht die Berechnung des Meeresspiegels an jedem beliebigen Punkt. Durch die Beobachtung der punktuellen Veränderungen des Meeresspiegels lässt sich mithilfe der geostrophischen Beziehung – derselben Beziehung, die den Druckgradienten mit der Corioliskraft in der Atmosphäre ausgleicht – die Oberflächenströmungsfelder des Ozeans berechnen.

Die Farbe des Ozeans, also das Reflexionsvermögen seiner Oberfläche im sichtbaren Licht, dient zur Abschätzung der Konzentration von Chlorophyll und anderen optisch aktiven, im Wasser gelösten oder suspendierten Bestandteilen. Genau diese Farbänderung ermöglicht es einem Satelliten, aus dem Weltraum Gebiete mit mehr oder weniger Phytoplankton zu erkennen, ohne das Wasser berühren zu müssen.

Der Oberflächensalzgehalt wird mittels Mikrowellenradiometrie bei einer Frequenz nahe 1,4 Gigahertz im sogenannten L-Band gemessen. Die Mikrowellenemission des Ozeans hängt von der dielektrischen Temperatur des Wassers ab, einer elektrischen Eigenschaft, die wiederum vom Salzgehalt bestimmt wird. Diese Abhängigkeitskette ermöglicht es, den Oberflächensalzgehalt aus der vom Satelliten detektierten Mikrowellenemission abzuleiten.

Der Oberflächenwind über dem Ozean wird schließlich mit Streuungsmessern gemessen: Diese Instrumente senden Mikrowellenimpulse im Ku- oder C-Band zur Meeresoberfläche und messen, wie viel Energie von den winzigen, durch den Wind erzeugten Kapillarwellen reflektiert wird. Je stärker der Wind, desto rauer die Oberfläche und desto mehr Energie wird zum Satelliten zurückgestreut. Die Intensität dieses reflektierten Signals erlaubt die Schätzung der Windgeschwindigkeit. Somit rekonstruiert die Satellitenfernerkundung des Ozeans mithilfe von Infrarottemperatur, radargemessener Höhe, sichtbarer Farbe, Mikrowellenemission und der Rückstreuung ebendieser Mikrowellen Kanal für Kanal einen Ozean, den kein Schiff oder keine Boje mit der gleichen Abdeckung oder Frequenz überwachen könnte.

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