Projekt:FE Auswerteverfahren 1/Niederschlag/Satelliten

Teilprojekt Niederschlag

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Wettersatelliten Oberflächentemperaturen Vegetationsindizes Schnee Wolken

In der Fernerkundung ist es nicht möglich den Niederschlag direkt zu bestimmen. Hier kommen Wettersatelliten zum Einsatz, aus deren Daten der Niederschlag inklusive seiner räumlichen und zeitlichen Verteilung abgeleitet wird. Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von Wettersatelliten. Jede größere Industrienation hat heutzutage ihr eigenes Satellitennetz zur Wetterbeobachtung, egal ob die USA, China, Japan oder die Europäische Union. Je nach den politischen Strukturen dieser Nationen befinden sich die Satelliten entweder in staatlicher, privater oder in staatlich-privater kombinierter Hand. Aber auch internationale Organisationen wie zum Beispiel die ESA und die EUMETSAT können als Betreiber von Satellitennetzen fungieren. Nun sollen die wichtigsten Satelliten und Satellitennetze, sowie ihr Messgeräte und somit ihrer Funktion genannt werden.

MSG

Die MSG bezeichnet die Meteosat Second Generation. Hierbei handelt es sich um einen geostationären Wettersatelliten, der sich in etwa 37.000 km Höhe befindet. Entwickelt und hergestellt wurden die Meteosat-Satelliten von der European Space Agency ESA. Betrieben werden sie von der europäischen Organisation EUMETSAT. Seit 2004 befindet sich MSG-1 im operationellen Betrieb. Nach der erfolgreichen Testphase wurde sie zu Meteosat-8 umbenannt.

Ausgestattet ist der Satellit mit 12 Kanälen und einer 124-Megapixel-Digitalkamera. Die 12 Kanäle der MSG werden wie folgt unterteilt:

• 2 Kanäle scannen im sichtbaren Bereich von 0,5 bis 0,8 µm
• 1 Kanal befindet sich im nahen Infrarotbereich von 1,5 bis 1,8 µm
• Ebenfalls vorhanden ist ein Breitband-Hochauflösungs-Kanal im spektralen Bereich von 0,4 bis 1,1 µm
• Dazu kommen acht Infrarotkanäle im Bereich 3,4 bis 14 µm

Somit erfassen vier der zwölf Kanäle den sichtbaren Bereich des Lichtes und acht den infraroten Bereich, davon zwei die typische Strahlung von Wasserdampf in der Atmosphäre. Die räumliche und zeitliche Auflösung beträgt 15 Minuten mal einem Quadratkilometer. Da sich der Satellit in einer Höhe von 37.000 km befindet und wie oben schon erwähnt somit ein geostationärer Satellit ist, nimmt die Auflösung auf Grund der Aufnahmegeometrie zum Rand hin ab. Mit dem MSG kann das Wettergeschehen in den verschiedenen Höhenschichten der Atmosphäre beobachtet werden. Besonders gut beziehungsweise optimal verhält es sich über Afrika, dem Ostatlantik und Südeuropa. Die hohe Bildwiederholungsfrequenz ermöglicht eine genaue Vorhersage von Windrichtungen und –geschwindigkeiten durch den Vergleich zweier aufeinander folgender Aufnahmen. Wenn man unterschiedliche Kanäle kombiniert, ist sogar die Klassifizierung von Wolkenarten möglich. Somit können nicht nur Eiswolken von Wasserdampfwolken unterschieden werden. Es lässt sich auch genau zwischen Schneeflächen und Eiswolken unterscheiden .

MetOp

MetOp (Meteorological Operational Satellite) bezeichnet eine Serie von drei europäischen Wettersatelliten mit einer erdnahen polaren Umlaufbahn. Diese Satellitenfamilie befindet sich in einer Höhe von 820 km über dem Erdboden und wurde entwickelt, um die Messungen am beziehungsweise über dem Polargebiet abzudecken. Entwickelt wurde die Satellitenfamilie von einer Vielzahl von Unternehmen und Organisationen. Die wichtigsten, die hier zu nennen sind, sind die Weltraumorganisation ESA, das deutsch-französische Unternehmen EADS, die französische Weltraumagentur CNES und die US-Wetterbehörde NOAA, die das EPS (EUMETSAT Polar System) entwickelten . Speziell das von der NOAA entwickelte EPS dient der operationellen Meteorologie und der Klimabetrachtung. Betreiber der MetOp-Satelliten ist jedoch die EUMETSAT. Gerade die erdnahe Umlaufbahn macht die MetOp-Satelliten zu einer idealen Ergänzung zu den Wettersatelliten der Reihe MeteoSat (wie zum Beispiel MSG), die sich in geostationärer Höhe befinden. Durch die Höhe der MetOp-Satelliten ist die Auflösung der abbildenden Systeme wesentlich besser als bei geostationären Satelliten. Allerdings verkleinert sich im gleichen Maßstab das Blickfeld der Instrumente. Die Satelliten mit polarer Umlaufbahn können innerhalb eines Tages nahezu die gesamte Erdoberfläche scannen. Ein Nachteil besteht aber darin, dass MetOp nur einmal pro Umlauf ein Gebiet für circa 15 Minuten beobachten kann. Im Gegensatz zur MeteoSat-Familie, die es möglich macht ein Gebiet kontinuierlich zu erfassen. An Bord der Satelliten von MetOp befinden sich 13 Instrumente, die das Wettergeschehen beobachten können. Einige von ihnen sind identisch mit den Instrumenten der amerikanischen NOAA-18-Wettersatelliten. Außer Wetterdaten liefert MetOp auch noch Umweltdaten. Dazu vermisst er hochgenau die Temperatur- und Feuchteverteilung, sowie die Spurengase in der Atmosphäre, speziell Ozon, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Methan, Schwefeloxid und Stickoxide. Durch höhere Auflösung der Bilder, bessere Beobachtung der Polar- und Nordatlantikregion und durch Messung der Feuchte- und Temperaturverteilung in der Atmosphäre in sehr hoher Genauigkeit wird MetOp dazu beitragen, das zuverlässige Vorhersageintervall von drei auf fünf Tage zu verlängern .

NOAA

Die Familie der NOAA-Satelliten wird von der amerikanischen Wetter- und Ozeanbehörde NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) entwickelt und betrieben. Diese Behörde ist ein Verband, der fünf verschieden große, amerikanische Umwelt- und Wetterorganisationen vereinigt. Die NOAA-Satelliten sind wie oben schon genannt das amerikanische Pendant der europäischen MetOp-Reihe. Jedoch ist diese Satellitenfamilie schon wesentlich länger in Betrieb und die gewonnenen Daten werden überwiegend für private Zwecke und Lehrveranstaltung genutzt. Eine amtliche Nutzung in Europa wird erst möglich, wenn die Satelliten der MetOp-Reihe in Betrieb sind, da als Gegenleistung die amerikanische Behörde auf Daten der MetOp-Satelliten zugreifen darf. Eine genauere Erläuterung der Instrumente und Arbeitsfelder bedarf es hier nicht, da die gleiche Funktions- und Arbeitsweise wie bei den MetOp-Satelliten gegeben ist .

A-Train

Bei der Reihe der A-Train, auch EOS (Earth Observing System) genannt, handelt es sich um eine Gruppe unterschiedlicher Satellitenarten und –baureihen, die sich aber gegenseitig ergänzen. A-Train ist ein internationales Programm, welches gerade auf einer Zusammenarbeit zwischen der NASA und der CNES basiert. Zurzeit besteht der A-Train aus folgenden Satelliten:

• Aqua
• Aura
• CloudSat
• PARASOL
• CALIPSO

2008 soll ein zusätzlicher Satellit namens OCO die Gruppe erweitern. Alle Satelliten befinden sich in einer Höhe von knapp 705 km über dem Erdboden in einer sonnensynchronen Umlaufbahn. Gemeinsam erzeugen die teilweise mit ähnlichen wissenschaftlichen Instrumenten ein Übersichtsbild des Wetters und des globalen Klimas. Die Daten der Satelliten ergänzen sich insofern, da alle das gleiche Gebiet mit nur wenigen Minuten Abstand beziehungsweise Zeitunterschied überfliegen und so verschiedene Messungen der gleicher Wettersituation ermöglichen.

Aqua

Aqua wird auch EOS-PM1 genannt. Hierbei handelt es sich um einen Forschungssatellit der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA. Dieser soll die komplexen Prozesse von Ökosystemen der Erde erforschen. Das Hauptziel aber ist es dabei viele Informationen über Wolken und Niederschläge, die Verdunstung, die Anteile von Wasserdampf und Aerosolen zu gewinnen. Ebenfalls sollen Daten über die Temperatur des Wassers und die Fläche des Meer- und Landeises gewonnen werden. Außerdem hat Aqua die Aufgabe Veränderungen der Strömungen in den Ozeanen zu untersuchen. Damit soll das Verständnis für die Auswirkungen auf Wolken, das Oberflächenwasser und der Einfluss auf das irdische Klima verbessert werden. Somit soll auch die Genauigkeit der Wettervorhersagen gesteigert werden. Aqua ist mit sechs hochpräzisen Instrumenten ausgestattet. Jedes einzelne hat individuelle Eigenschaften, welche zusammen eine leistungsfähige Erdbeobachtung ermöglichen. Das wichtigste hierbei ist das Messgerät AIRS. AIRS steht für Atmospheric Infrared Sounder. Dabei handelt es sich um ein erweitertes Infrarot-Messgerät, das genaue Temperatur- und Feuchteprofile und eine Vielzahl anderer Informationen über die Atmosphäre und der darin vorherrschenden Prozesse gewinnen kann. Dieses Instrument kann mit Messgeräten ähnlicher Aufgabe wie zum Beispiel AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) und HSB (Humiditiy Sounder for Brazil) verglichen werden .

Aura

Die Sammlung erster Daten durch Aura begann im Jahr 2004. Die Hauptaufgabe diesen Teils des A-Trains ist die Beobachtung der Ozonschicht, der Luftqualität inklusive der in der Atmosphäre enthaltenden Stoffe und Gase wie Ozon, Stickstoffdioxid und Aerosolen, und die Beobachtung des Klimawandels. Dieser Satellit besitzt vier Instrumente:

• HIRDLS (High Resolution Dynamic Limb Sounder):
  Misst die Infrarotstrahlung von Ozon, Wasserdampf und Methan und verschiedenen Stickstoffverbinden
• MLS (Microwave Limb Sounder):
  Misst die von verschiedenen Spurengase abgegebene Mikrowellenstrahlung
• OMI (Ozone Monitoring Instrument):
  Arbeitet im sichtbaren und im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums und liefert hoch aufgelöste Bilder der globalen Ozonverteilung, von anderen Spurengasen und von Aerosolen
• TES (Tropospheric Emission Spectrometer):
  Misst die Konzentration von bodennahem Ozon und anderen Spurengasen durch ihre Infrarotemissionen .

CloudSat

CloudSat wurde am 28. April 2006 im Orbit abgesetzt. Der Starttermin hatte sich mehrmals verschoben. Im Juni des gleichen Jahres wurden die ersten Bilder veröffentlicht und obwohl diese Bilder noch als Testbilder deklariert wurden, waren sie bereits sehr viel besser in der Qualität als alle bisherigen Profilbilder von Wolken. Das Projekt CloudSat ist aber nur für 22 Monate ausgelegt. Das CPR (Cloud Profiling Radar) ist das einzige wissenschaftliche Instrument an Bord. Das Radar arbeitet mit einer Frequenz von 94 GHz und misst die Energie, die von den Wolken in Abhängigkeit von ihrer Distanz zurückgeworfen wird. Daraus können Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Wolken gezogen werden. Das CPR ist in etwa 1.000-mal empfindlicher als das Radar eines herkömmlichen Wettersatelliten und kann so auch sehr dicke Wolken mit starken Regen- und Schneeflächen noch durchdringen und detailliert analysieren .

PARASOL

Bei PARASOL handelt es sich um einen französischen Erdbeobachtungssatelliten. Eines seiner wichtigsten Messgeräte ist das Instrument POLDER, das die Strahlungseigenschaften und die mikroskopische Zusammensetzung der Wolken und Schwebeteilchen untersucht. Weitere Instrumente sind unter anderem passive Radiometer sowie aktive LIDAR (Light detection and ranging)- und RADAR (Radio detection and ranging)-Systeme. Diese Kombination soll erstmals eine umfassende Untersuchung der Wolken ermöglichen inklusive der Aerosole .

CALIPSO

CALIPSO ist ein amerikanisch-französischer Erdbeobachtungssatellit der NASA und der CNES. Dieser Satellit dient der Erforschung der Einflüsse von Wolken und Aerosolen auf das Wetter und die Luftqualität. CALIPSO wurde 2006 im Orbit ausgesetzt und besitzt eine Missionsdauer von rund drei Jahren. Dieser Satellit des A-Trains besitzt folgende Messgeräte und Instrumente:

• CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization):
  Mit Hilfe eines Lasers werden vertikale Profile von Wolken hergestellt. Dabei wird mit mehreren Wellenlängen und einem Empfängerteleskop mit einem Meter Durchmesser gearbeitet.
• IIR (Imaging Infrared Radiometer):
  Dieses System arbeitet im infraroten Bereich mit einer Wellenlänge zwischen 8 und 12 µm, welches auch das atmosphärische Fenster beschreibt. Dabei wird der gleiche Bildausschnitt wie bei erstgenannten Messgerät betrachtet und analysiert.
• WFC (Wide Field Camera):
  Diese Kamera ist vor allem im spektralen Bereich von 645 nm empfindlich und macht Bilder von der Erdoberfläche .

Weitere Satelliten

Hier wurden die wichtigsten Satelliten der Wetterbeobachtung genannt. Aus ihnen lassen sich Niederschlagsverteilung, -auftreten und -mengen ableiten und bestimmen. Natürlich gibt es eine Vielzahl weiterer Satelliten und Satellitengruppen, die dem gleichen Zweck dienen und denen keine geringere Bedeutung zugewiesen werden sollte. Hier ein paar weitere Satelliten, die ebenso wichtig wie die genauer erklärten Satelliten sind:

• EarthCARE
• MTG (MeteoSat Third Generation)
• JERS 1 (Japanese Earth Resources Satellite)
• Spot 2, 3 (Système Probatoire d´Observation de la Terre)
• ERS 1, 2 (European Remote Sensing Satellite)
• LandSat 5 (Reihe von zivilen Erdbeobachtungssatelliten der NASA)
• GOES (Geostationary Operational Enviromental Satellite)
• Meteor
• Nimbus 1 bis 7 (amerikanischer Wettersatellit)
• TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission; Überwachung der Niederschläge im Regenwald)
• TIROS (Television and Infrared Observation Satellite; amerikanisches Wettersatellitenprogramm)