S-Band

Frequenzbereich von 1,55 GHz bis 5,20 GHz (Angaben variieren) innerhalb des Mikrowellensegments des elektromagnetischen Spektrums. S-Band-SAR vermag z.B. durch tropische Wolken und Regenschauer ohne bedeutende Schwächung des Signals hindurch zu sehen. Sein Durchdringungsvermögen hinsichtlich Vegetationsbedeckung oder Böden ist wenig effektiv und auf die oberen Schichten beschränkt. S-Band-Radare werden für meteorologische Einsatzzwecke (z.B. Niederschlagsmessungen) oder zur Flughafenüberwachung eingesetzt.

SAC-C

Argentinische, von 2000 bis 2013 aktive Erdbeobachtungsmission mit internationaler Unterstützung (USA, F, I, DK, BR). Seine Aufgaben zielten auf die Untersuchung der Struktur und Dynamik der Erdoberfläche, der Atmosphäre, Ionosphäre und des irdischen Magnetfeldes.

Der Satellit besaß eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 705 km Höhe mit einer Umlaufzeit von 98 min und einer Inklination von 98,2°. Der Wiederholzyklus betrug 9 Tage. Zusammen mit den NASA-Satelliten Landsat-7, EO-1 und Terra bildete SAC-C die Vormittags-Konstellation (vgl. A-Train) einer internationalen Gruppe von Formationsflügen zur Erdbeobachtung.

Mit SAC-D (Satelite de Aplicaciones Cientificas) startete 2011 ein weiterer argentinischer Erdbeobachtungssatellit mit einer Delta II 7320-10 von der Vandenberg Air Force Base in eine 657 km hohe sonnensynchrone Umlaufbahn. Das wichtigste Bordinstrument ist ein Mikrowellen-Radiometer (L-Band) namens Aquarius, das vom Goddard Space Flight Center entwickelt wurde. Es soll den Salzgehalt an der Oberfläche der Meere messen und damit Information liefern, die das Verständnis über den Einfluss der Meere auf den globalen Wasserkreislauf verbessern. Als Lebensdauer sind fünf Jahre (drei Jahre für das Instrument Aquarius) geplant.

Vormittags-Konstellation Die ursprüngliche Morgen-Konstellation, auch Morgen-Zug genannt, bestand aus 4 Satelliten: Landsat-7, im April 1999 gestartet, führt den Zug an. Terra, im Dezember 1999 gestartet, ist der "Dienstwagen". EO-1 und SAC-C schlossen sich der Konstellation im November 2000 an. Als Konstellation flogen die Satelliten im Abstand von Minuten zwischen 10:00 a.m. Mean Local Time (MLT) und 10:30 a.m. MLT über den Äquator. Aktuell (2022) besteht der Morgen-Zug aus Terra, Landsat-7 und Landsat-8. Quelle: NASA

Weitere Informationen:

• SAC-C Profil (CEOS EO Handbook)
• SAC-D Profil (CEOS EO Handbook)

SAGE

Engl. Akronym für Stratospheric Aerosol and Gas Experiment;  eine Versuchsreihe der NASA bei der mit Hilfe von gleichnamigen, auf Fernerkundungssatelliten basierten Instrumenten die chemische Zusammensetzung der Erdatmosphäre erforscht wird. Im Speziellen wurde SAGE dazu verwendet, die Ozonschicht der Erde und die Aerosole in der Troposphäre durch die Stratosphäre hindurch zu untersuchen. Das Instrumentarium der Experimente nutzt dabei Okkultationsmesstechniken um die chemischen Gaskonzentrationen in der Atmosphäre zu bestimmen. Diese Techniken messen das Sonnenlicht bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang bei den Satellitendurchläufen um die Erde. Die Messergebnisse werden mit der Solarstrahlung verglichen, die nicht durch die Atmosphäre gedämpft ist. Im Falle der SAGE-Versuchsreihe werden Energien des Lichts im UV-Spektrum und im Spektrum des sichtbaren Lichts vermessen. Über Berechnungsalgorithmen wie der Strahlungstransportgleichung kann dann die chemische Zusammensetzung der Erdatmosphäre bestimmt werden. Die Daten der SAGE-Reihe werden genutzt um den Gehalt von Ozon, Spurengasen, Wasserdampf und andere Aerosolen in der Atmosphäre zu erforschen.

Bisher gab es drei SAGE-Versuchsreihen:

• SAGE I flog mit dem Explorer 60; Start am 18.2.1979
• SAGE II war Teil des Earth Radiation Budget Satellite (ERBS); Start am 5. Oktober 1984
  Die Daten, die von SAGE I und dem nachfolgenden SAGE II gesammelt wurden, waren entscheidend für die Entdeckung des Ozonlochs und der Schaffung des Abkommens von Montreal von 1987, das Ozon-zerstörende Substanzen verbot, wie z.B. Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW).
• SAGE III flog mit dem METEOR-3M-1-Satelliten am 10. Dezember 2001 mit einer Zenith-2 vom Weltraumbahnhof Baikonur zu seinem Orbit. Innerhalb des EOS-Programms hatte es die Aufgabe, weltweit Langzeitmessungen über die Hauptbestandteile der Erdatmosphäre vorzunehmen. Gleichzeitig mass SAGE III die Temperatur von Stratosphäre und Mesosphäre und dokumentiert die Verteilung von Spurengasen wie Wasserdampf und Stickstoffdioxid, die eine wesentliche Rolle beim Strahlungsgeschehen und bei chemischen Vorgängen in der Atmosphäre spielen.
  Nachdem die Energieversorgung erschöpft war, stellte der Satellit am 6. März 2006 seinen Betrieb ein.

Ab 2017 hat SAGE-III on ISS die Nachfolge der Vorgänger angetreten, dieses Mal auf einem bemannten Raumfahrzeug, der ISS. Dieses Instrument ist nahezu identisch mit dem im Meteor-3M-Satelliten eingesetzten Exemplar. Es war jahrelang unter optimalen Reinraumbedingungen ‚eingemottet‘, nachdem Änderungen im Design der ISS einen Einsatz vorübergehend unwahrscheinlich machten. Die ersten Daten von Sage III/ISS wurden im Oktober 2017 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Weitere Informationen:

• SAGE (NASA)
• SAGE-III on ISS (NASA)
• ISS Utilization: SAGE-III (eoPortal Directory)

SALTRACE

Engl. Akronym für Saharan Aerosol Long-range Transport and Aerosol-Cloud-Interaction Experiment, eine deutsche Initiative zur Untersuchung des Ferntransports von Mineralstaub aus der Sahara auf seinem Weg über den Atlantik in die Karibik. Dabei dient SALTRACE der Erforschung von Prozessen, die den Staub während seiner Lebenszeit verändern und der Analyse von Wechselwirkungen zwischen gealtertem Staub, Wolkenprozessen und der Strahlungsenergiebilanz der Erde. SALTRACE erlaubt es nicht nur, die Wirkungen von Mineralstaub auf die Atmosphäre und das Klima besser zu verstehen. Mit den Daten aus dem Projekt werden auch neue Methoden zur stallitenbasierten Erkennung von Vulkanasche in der Atmosphäre getestet. Das Experiment vereint bodengebundene und flugzeuggetragene in-situ- und Lidarmessungen, Langzeitbeobachtungen, Satellitenfernerkundung und numerische Modellierung.

Neben Meersalz ist Mineralstaub massenmäßig das bedeutendste Aerosol in der Atmosphäre.

SALTRACE unterteilt sich in drei Teilexperimente, die alle in der Region von Barbados stattgefunden haben. Der erste Teil wurde während der Regenzeit im Juni und Juli 2013 durchgeführt. Eine zweite Kampagne fand während der Trockenzeit im Februar 2014 statt, die letzte im Sommer 2014. Bei der ersten Kampagne wurde auch das DLR-Forschungsflugzeug Falcon eingesetzt.

DLR-Forschungsflugzeug Falcon misst Sahara-Staub Vom 10. Juni bis zum 14. Juli 2013 hat die Falcon, eines der Forschungsflugzeuge des DLR, Messungen auf den Kapverden und in der Karibik durchgeführt. Über Barbados hat die Falcon für knapp vier Wochen die Eigenschaften des gealterten Saharastaubes in der Karibik untersucht. Während SALTRACE, war das Forschungsflugzeug umfangreich mit Messinstrumenten ausgestattet: Aerosol-Messinstrumente konnten Partikelgrößen von 4 Nanometer bis 100 Mikrometer direkt in der Staubschicht messen. Außerdem wurde die chemische Zusammensetzung, Form, Flüchtigkeit, die Absorptionseigenschaften der Partikel sowie die Anzahl der Wolkenkondensationskeime gemessen. Darüber hinaus lieferte ein 2-µm-Doppler Windlidar Messungen der vertikalen und horizontalen Windgeschwindigkeit und gab einen Einblick in die Struktur und die vertikale Ausdehnung der Staub-Schichten. Quelle: TROPOS / DLR

Weitere Informationen:

• SALTRACE (DLR)
• Saharastaub (DWD)
• Saharan Dust on the Move (NASA Earth Observatory)
• Dust and Clouds Dance Over the Sahara (NASA Earth Observatory)
• Was macht der Saharastaub in der Luft? (DLR magazin 143)

Sampling

Von engl. to sample = Proben nehmen, wird für die Messratenzuweisung verwendet. In der Fernerkundung wird zwischen drei Aspekten unterschieden: a) zeitlich, d. h. das Zeitintervall betreffend, b) räumlich, d. h. die Größe des Bildelements im Ort betreffend und c) spektral, d. h. hinsichtlich des Spektralbereichs.

SAMUM

Engl. Akronym für Saharan Mineral Dust Experiment; in Analogie zu dem gleichnamigen trocken-heißen Sahara-Wind benanntes Projekt zur Erforschung der Strahlungswirkung von Staub und Sand und deren Einfluss auf unser Klima.

Aufgrund moderner Veränderungen aller möglichen menschlichen Tätigkeiten, wie z.B. Landwirtschaft, breiten sich die Wüsten aus (siehe z.B. das UNO-Projekt gegen Desertifikation). Außerdem herrscht seit einigen Jahrzehnten eine ausgeprägte Dürre in der Sahel-Zone. Aufgrund dieser Faktoren verändert sich auch der Gehalt an Wüstenstaub in der Atmosphäre. Um seinen Einfluss auf den Treibhauseffekt besser einschätzen zu können, müssen Messungen sowohl in der unmittelbaren Nähe der Staub-Quellen als auch in der vom Wind abtransportierten Staubfahne durchgeführt werden.

Staub aus der Sahara-Wüste wird regelmäßig vom Wind bis zu 5.000 Meter hoch in die Atmosphäre getragen und zieht dann über den Atlantik bis in die Karibik oder an die südamerikanische Küste und in das Amazonas-Gebiet, wo er z.B. düngend wirkt. Die "Staubwolken" können dabei enorme Ausmaße annehmen und in Einzelfällen mit 500.000 Quadratkilometern die Größe Spaniens erreichen. Es ist eine offene Frage, welchen Einfluss dieser Transport von Staub auf die Strahlungsbilanz in der Atmosphäre hat und somit auch, ob evtl. in vier bis fünf Kilometer Höhe Prozesse ablaufen, die dem Temperaturanstieg entgegenwirken. Staubpartikel tragen zur Wolkenbildung bei und sie können Sonnenstrahlung in den Weltraum rückstreuen oder aber die Energie speichern, je nachdem, ob es sich um helle oder dunkle Partikel handelt. Insgesamt gelangen jährlich rund fünf Milliarden Tonnen Staubteilchen oder Aerosolpartikel durch im Wesentlichen natürliche, aber auch vom Menschen verursachte Prozesse in die Atmosphäre. Der Mineralstaub aus den Wüsten der Erde hat daran einen Anteil von 1,5 Milliarden Tonnen und wiederum 60 Prozent davon entstammen dem Wüstenkomplex der Sahara.

Die Kernphase der Expedition war für Mitte Mai bis Anfang Juni 2006 geplant. Es soll in den marokkanischen Städten Ouarzazate und Zagora stattfinden, die am Rande der Sahara im Südosten des Königreiches liegen. Diese Standorte wurden ausgewählt, weil sie einerseits dicht am Quellgebiet für Saharastaub liegen, und andererseits trotzdem noch die notwendige Infrastruktur anbieten. Sahara-fremde Einflüsse (Industriestaub aus Europa, Atlantische Strömungen) werden im Wesentlichen durch das Atlas-Gebirge abgeschirmt.

Zum einen sind Messflüge geplant, sowohl mit einer zweimotorigen Partenavia (bis 3 km NN) als auch mit einer Falcon bis in 10 km Höhe. An Bord der Partenavia wird ein Albedometer arbeiten, ebenso wie das MOCIS-System zum Sammeln von Partikeln. An den Bodenstationen in Zagora und am Flughafen Ouarzazate werden LIDAR-Geräte die Höhenverteilung des Staubs untersuchen und ausführliche Messungen des Aerosols durchgeführt. Sonnenphotometer messen die optische Dicke, ein Bodenspektrometer die ankommende Strahlungsflussdichte am Boden.

Weitere Informationen:

• SAMUM - Overview (TROPOS)

SANSA

Engl. Akronym für South African National Space Agency; die staatliche Raumfahrtagentur Südafrikas.

Weitere Informationen:

• SANSA Webseite
• Agency Summary - SANSA (CEOS EO Handbook)

SAOCOM-1

Span. Akronym für Satélite Argentino de Observación Con Microondas 1A; die Mission SAOCOM-1 besteht aus zwei Erdbeobachtungssatelliten (SAOCOM-1A and -1B) der argentinischen CONAE (Comisión Nacional de Actividades Espaciales). SAOCOM-1A wurde am 8. Oktober 2018 mit einer Falcon-9-Trägerrakete von der Vandenberg Air Force Base in eine sonnensynchrone Umlaufbahn auf 620 km Höhe gebracht. SAOCOM-1B folgte am 30. August 2020.

Die dreiachsenstabilisierten Satelliten sind mit einem im L-Band bei rund 1,275 GHz arbeitenden Radar mit synthetischer Apertur ausgerüstet. Die etwa 1.500 kg wiegende Radaranlage an Bord der Satelliten verfügt über 140 Einzelantennen mit einer Fläche von rund 35 Quadratmetern bei einer Breite von rund 3,5 Metern und einer Länge von rund 10 m. Das System besitzt Beobachtungsmodi mit Schwadbreiten zwischen 20 und 350 Kilometern. Die dabei mögliche räumliche Auflösung liegt zwischen 10 und 100 m. Die von der Firma INVAP S.E. (Investigaciones Aplicadas Sociedad del Estado mit Sitz in San Carlos de Bariloche) gebauten Satelliten besitzen eine geplante Lebensdauer von 5 Jahren.

SAOCOM-1A ist Bestandteil eines Satellitensystems einer maßgeblich von Argentinien und Italien getragenen internationalen Initiative zur Katastrophenbewältigung (SIASGE, Sistema Italo Argentino de Satélites para la Gestión de Emergencias). Er kann Messungen der Bodenfeuchte durchführen, die Ausmaße von Überflutungen bestimmen und Wasserverschmutzungen z. B. durch Kohlenwasserstoffe aufdecken. Mit diesen Daten können auch Projekte zur Überwachung der Wälder, zur Erfassung der Bodenfeuchte und zur Messung der Oberflächenverformung gefördert werden.

Die ESA wird den Satelliten von Anfang bis zum Ende der bedeutenden Mission im Weltraum begleiten und mit den Teams vor Ort zusammenarbeiten. So wird SAOCOM-1A während der gesamten Zeit im Orbit kontinuierlich vom Space Debris Office der ESA unterstützt, die das Risiko von Weltraumschrott in der Nähe der Satelliten abschätzen und festlegen, ob und wie Manöver durchgeführt werden sollten, um Zusammenstöße zu vermeiden.

Weitere Informationen:

• Satélite SAOCOM, contribución argentina al sistema SIASGE (Betreiberwebseite)
• About SAOCOM (ESA)
• SAOCOM - SAR Observation & Communications Satellite (eoPortal Directory)

SAPIENS

Projekt des Geoforschungszentrums Potsdam (GFZ) zum Wissenstransfer. Mit SAPIENS fördert die Helmholtz-Gemeinschaft über das GFZ die Bereitstellung von Satellitendaten, um Erkenntnisse aus der Wissenschaft im Alltag nutzbar zu machen. SAPIENS steht dabei für „Satellitendaten für Planung, Industrie, Energiewirtschaft und Naturschutz“. Das Projekt wird fachlich von der GFZ-Sektion Fernerkundung unterstützt.

Das Projekt soll für Anwenderinnen und Anwender aus der nicht-wissenschaftlichen Praxis aufzeigen, welche Informationen aus Erdfernerkundungsdaten gewonnen werden können, wie diese aufbereitet werden müssen und wie verlässlich sie sind. Viele dieser Daten stehen kostenfrei bereit, so wie die Daten der Copernicus Sentinel-Missionen, oder das Landsat-Programm des amerikanischen Geological Service (USGS).

SAPIENS richtet sich insbesondere an Fachbehörden auf der Ebene von Kommunen, Landkreisen, Regierungsbezirken und Bundesländern sowie Nichtregierungsorganisationen und Medien. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Weiterbildungsangeboten. Dazu gehören Online-Seminare, Lehrvideos und Übungsbeispiele mit Anleitungen. Anhand konkreter Beispiele wird aufzeigt, wie Fernerkundungsdaten in der Praxis genutzt werden können.

Hinter SAPIENS steht die Erkenntnis, dass etwa Fachverwaltungen häufig Entscheidungen auf Grundlage von Geoinformationen treffen. Beispiele sind Flächennutzungskonflikte bei Bauvorhaben, die Ausweisung von Biotopen oder die Einhaltung von Gewässer- und Naturschutzauflagen. Auch gehören Berichtspflichten im Bereich Habitat-Monitoring oder Waldschaden-Kartierung dazu. Zentral ist dabei meist, den ökologischen Zustand von Gebieten zu ermitteln oder zu bestimmen, wie dieser sich durch geplante Eingriffe verändert. Fernerkundliche Methoden können viele Kontrollparameter großflächig bereitstellen und so bestehende Verfahren ergänzen.

Parallel zu SAPIENS fördert das brandenburgische Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur das Projekt KONSAB, womit die Nutzung von Satellitendaten in der Land- und Forstwirtschaft im Land Brandenburg verbessert werden soll. Land- und Forstwirte sowie ihre Berater lernen beispielsweise, wie sie anhand von Satellitendaten das langjährige Ertragspotential eines Feldes bestimmen oder den Zustand ihres Waldes kartieren können. KONSAB steht für „Kommunikationsinitiative zur Nutzung von Satellitendaten in der Agrar- und Forstwirtschaft“ und ist ebenfalls im Technologietransfer des GFZ angesiedelt.

Für das GFZ steht bei beiden Projekten im Vordergrund, Hilfe zur Selbsthilfe zu bieten, also die Zielgruppen durch Weiterbildungsformate in die Lage zu versetzen, Geodaten entsprechend der eigenen Anforderungen zu nutzen. Gleichzeitig wird damit die Digitalisierung in der Verwaltung und in der Land- und Forstwirtschaft unterstützt.

Weitere Informationen:

• Grundlagen der Fernerkundung - Handbuch zur Webseminar-Reihe (GFZ 2020)
• SAPIENS - Satellitendaten für Planung, Industrie, Energiewirtschaft und Naturschutz (GFZ)

SAPOS

Bezeichnung für den Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung. Er stellt Korrekturwerte für DGPS-Messverfahren durch das behördliche Vermessungswesen bereit.

SAR

Engl. Akronym für Synthetic Aperture Radar, dt. Radarsystem mit synthetischer Apertur; es handelt sich um ein aktives Mikrowellenabbildungsverfahren, das üblicherweise von Satelliten oder luftgestützten Plattformen eingesetzt wird. Anfänglich für militärische Anwendungen entwickelt, hat sich SAR heute auch in der zivilen Erdbeobachtung fest etabliert.

SAR ist eine Art der aktiven Datenerfassung, bei der ein Sensor seine eigene Energie erzeugt und dann die Menge dieser Energie aufzeichnet, die nach der Wechselwirkung mit der Erde zurückgeworfen wird. Während optische Bilder der Interpretation eines Fotos ähneln, erfordern SAR-Daten eine andere Denkweise, da das Signal stattdessen auf Oberflächenmerkmale wie Struktur und Feuchtigkeit reagiert.

Was ist synthetisch an SAR?

Die räumliche Auflösung von Radardaten steht in direktem Zusammenhang mit dem Verhältnis zwischen der Wellenlänge des Sensors und der Länge der Sensorantenne. Je länger die Antenne bei einer bestimmten Wellenlänge ist, desto höher ist die räumliche Auflösung. Da Radarwellen gegenüber dem Licht eine viel größere Wellenlänge besitzen, müssten bei Radarsystemen unrealistisch große Antennen verwendet werden, um nur annähernd die räumliche Auflösung zu erhalten die den optischen Systemen eigen ist. Von einem Satelliten im Weltraum aus, der mit einer Wellenlänge von etwa 5 cm arbeitet (C-Band-Radar), würde man für eine räumliche Auflösung von 10 m eine Radarantenne von etwa 4.250 m Länge benötigen. (Das sind über 47 Fußballfelder!)

Eine Antenne dieser Größe ist für einen Satellitensensor im Weltraum nicht praktikabel. Daher haben sich Wissenschaftler und Ingenieure eine clevere Lösung einfallen lassen: die synthetische Apertur. Bei diesem Konzept wird eine Reihe von Aufnahmen von einer kürzeren Antenne kombiniert, um eine viel größere Antenne zu simulieren und so Daten mit höherer Auflösung zu erhalten.

Ein SAR-System nutzt die Tatsache, dass das Signal eines Geländeobjektes in mehr als nur einem Radarecho enthalten ist und während der Beobachtung einen typischen Phasenverlauf zeigt. Indem man die während der Flugbewegung des Sensors empfangenen Dopplersignale speichert und vergleicht, wird eine künstliche Antenne (synthetische Apertur) gebildet. Diese künstliche Antenne ist um ein Vielfaches länger als die physische Antenne, sie schärft die wirksame Strahl-Öffnung und verbessert die Auflösung im Azimut. So lässt sich eine ähnliche Auflösung wie bei optischen Instrumenten erreichen. Die zehn Meter lange SAR-Antenne der ERS-Satelliten erreichte dadurch das gleiche Auflösungsvermögen wie eine Antenne von 800 m Länge und lieferte im sog. Image-Mode Radarbilder der Land- bzw. Wasseroberfläche mit einer Bildpunktgröße von 30 × 30 m.

SAR-Prinzip Bei dem - hier auf einem Space Shuttle montierten - abbildenden Radarsystem mit synthetischer Apertur werden Mikrowellenimpulse seitlich zur Flugrichtung in Richtung Erdoberfläche gesendet und die von dort rückgestreuten Signale empfangen. Quelle: Universität Karlsruhe, IHE

Die Rolle von Frequenz und Wellenlänge

Optische Sensoren wie der Operational Land Imager (OLI) von Landsat und das Multispectral Instrument (MSI) von Sentinel-2 sammeln Daten im sichtbaren, nahen Infrarot und im kurzwelligen Infrarot des elektromagnetischen Spektrums.

Die aktiven Radarsensoren senden längere Wellenlängen im Millimeter- bis Metermaßstab (Mikrowellen) zur Erdoberfläche und messen die reflektierten Strahlen. Ihr Vorteil gegenüber visuellen Systemen ist die Einsetzbarkeit auch bei Dunkelheit und Wolkenbedeckung.

Die verschiedenen Wellenlängen von SAR werden oft als Bänder bezeichnet, mit Buchstabenbezeichnungen wie X, C, L und P. In der nachstehenden Tabelle ist das Band mit der zugehörigen Frequenz, Wellenlänge und der für dieses Band typischen Anwendung aufgeführt.

SAR-Sensoren werden entsprechend der verwendeten Wellenlänge benannt. So war AMI auf dem ERS-1-Satelliten ein C-Band-SAR, SIR-C/X-SAR ein multifrequentes SAR in den Bereichen des L-, C- und X-Bandes. Im Gegensatz zu optischen Sensoren ist die räumliche Auflösung von SAR Sensoren im Prinzip nicht von der Flughöhe abhängig.

Die Wellenlänge ist ein wichtiges Merkmal, das bei der Arbeit mit SAR zu berücksichtigen ist, da sie bestimmt, wie das Radarsignal mit der Oberfläche interagiert und wie weit ein Signal in ein Medium eindringen kann. Ein X-Band-Radar, das mit einer Wellenlänge von etwa 3 cm arbeitet, kann zum Beispiel nur sehr wenig in Laubwälder eindringen und interagiert daher hauptsächlich mit den Blättern in den Baumkronen. Ein L-Band-Signal hingegen hat eine Wellenlänge von etwa 23 cm und dringt besser in den Wald ein und ermöglicht eine stärkere Interaktion zwischen dem Radarsignal und großen Ästen und Baumstämmen. Die Wellenlänge wirkt sich nicht nur auf die Eindringtiefe in Wälder aus, sondern auch auf andere Landbedeckungsarten wie Boden und Eis.

Wissenschaftler und Archäologen nutzen beispielsweise SAR-Daten, um versunkene Städte und stadtähnliche Infrastrukturen, die im Laufe der Zeit durch dichte Vegetation oder Wüstensand verdeckt wurden, "aufzudecken". Informationen über den Einsatz von SAR in der Weltraumarchäologie (engl. space archaeology) finden Sie in den Artikeln Peering through the Sands of Time und Secrets beneath the Sand des NASA Earth Observatory.

Polarisation und Streuungsmechanismen

Radar kann auch Signale in verschiedenen Polarisationsarten erfassen, indem es die analysierte Polarisation sowohl im Sende- als auch im Empfangsweg auswertet. Die Polarisation bezieht sich auf die Ausrichtung der Ebene, in der die übertragene elektromagnetische Welle schwingt. Obwohl die Ausrichtung in jedem beliebigen Winkel erfolgen kann, senden SAR-Sensoren in der Regel linear polarisiert. Die horizontale Polarisation wird mit dem Buchstaben H und die vertikale Polarisation mit V gekennzeichnet.

Der Vorteil von Radarsensoren besteht darin, dass die Signalpolarisation sowohl beim Senden als auch beim Empfangen genau gesteuert werden kann. Signale, die in vertikaler (V) Polarisation ausgesendet und in horizontaler (H) Polarisation empfangen werden, werden mit VH gekennzeichnet. Ein Signal, das in horizontaler (H) Polarisation ausgestrahlt und in horizontaler (H) Polarisation empfangen wird, wird mit HH gekennzeichnet, usw. Die Untersuchung der Signalstärke dieser verschiedenen Polarisationen liefert Informationen über die Struktur der abgebildeten Oberfläche, die auf den folgenden Arten der Streuung beruhen: raue Oberfläche, Volumen und Double Bounce (siehe Abbildung unten).

• Die Streuung an rauen Oberflächen, z. B. durch nackten Boden oder Wasser, ist am empfindlichsten für VV-Streuung.
• Volumenstreuung, z. B. durch Blätter und Äste in einem Walddach, ist am empfindlichsten für kreuzpolarisierte Daten wie VH oder HV.
• Die letzte Art der Streuung, Double Bounce, wird durch Gebäude, Baumstämme oder überschwemmte Vegetation verursacht und ist am empfindlichsten gegenüber einem HH-polarisierten Signal.

Relative Streustärke in Abhängigkeit von der Polarisation Starke Streuung in HH deutet auf eine vorherrschende Double-Bounce-Streuung hin (z. B. stämmige Vegetation, künstliche Strukturen), während starke VV auf raue Oberflächenstreuung hinweist (z. B. nackter Boden, Wasser), und räumliche Variationen in der Doppelpolarisation zeigen die Verteilung von Volumenstreuern an (z. B. Vegetation und Bodenarten mit hoher Durchlässigkeit wie Sand oder andere trockene poröse Böden). Quelle: The SAR Handbook (NASA)

Es ist wichtig zu beachten, dass sich der Anteil des Signals, der den verschiedenen Streuungstypen zugeordnet wird, in Abhängigkeit von der Wellenlänge ändern kann, da die Wellenlänge die Eindringtiefe des Signals verändert. Ein C-Band-Signal dringt beispielsweise nur in die obersten Schichten der Baumkronen eines Waldes ein und erfährt daher hauptsächlich Rauhigkeitsstreuung, gemischt mit einem begrenzten Anteil an Volumenstreuung. Ein L-Band- oder P-Band-Signal hingegen dringt viel tiefer ein und erfährt daher eine stark verstärkte Volumenstreuung sowie eine zunehmende Menge an Double-Bounce-Streuung, die durch den Baumstamm verursacht wird (siehe folgende Abb. der Baumkronendurchdringung).

Empfindlichkeit von SAR-Messungen Empfindlichkeit von SAR-Messungen im Hinblick auf die Waldstruktur und das Eindringen in das Kronendach bei verschiedenen Wellenlängen, die für luft- oder weltraumgestützte Fernerkundungsbeobachtungen der Landoberfläche verwendet werden. Quelle: The SAR Handbook (NASA)

Aktuelle satellitengestützte SAR-Systeme verwenden Wellenlängen von ca. 3 cm (X-Band), 6 cm (C-Band), 10 cm (S-Band) und 25 cm (L-Band). Viele natürliche Oberflächen (Ozean, landwirtschaftliche Flächen, Vegetation) besitzen eine Rauigkeitsstruktur in diesem Maßstabsbereich und sind deshalb in SAR-Bildern gut unterscheidbar. Während optische Multi-, Super- oder Hyperspektral-Systeme vor allem die chemische Natur von Materialien anhand ihrer Reflektionsspektren erfassen, "sehen" SAR-Systeme wegen ihrer cm-Wellenlängen vor allem physikalische Eigenschaften. Die Helligkeit eines Objekts im SAR-Bild hängt im Wesentlichen von seiner Rauigkeit und seiner Dielektrizitätskonstante ab.

Wegen der verwendeten Wellenlängen ist SAR, neben Lidar, das einzige bildgebende Erderkundungsverfahren, das teilweise in Objekte eindringen kann und damit z.B. Informationen über Baumbestand und Biomasse in Wäldern liefert. Als größtes Potenzial von SAR gilt die Kohärenz des Abbildungsverfahrens. Jedes SAR-Pixel ist eine komplexe Zahl, die Amplitude und Phase der empfangenen Welle repräsentiert. Dies erlaubt die Nutzung interferometrischer oder tomographischer Verfahren zur Bestimmung der geometrischen Positionen von Streuern und somit zur Gewinnung von DEMs, Dichteprofilen von Wäldern, zur Bestimmung von Biomasse und der Messung von Bewegungen und Deformationen mit Genauigkeiten von besser als 1 mm/a.

ERS-Daten hauchen dem Ätna Leben ein Zwischen 1992 und 2000 wurden SAR-Daten zur Herstellung von 100 Interferogrammen verwendet. Sie sind die Grundlage der nebenstehenden Animation. Erkennbar sind Oberflächenbewegungen des Ätnä um Beträge bis zu 14 cm. Eruptionen bewirken eine Druckentlastung, ein Ausatmen und als Folge gewöhnlich ein Zusammensinken des Ätna. Eine Wiederbefüllung der Magmakammer bewirkt die gegenläufige Bewegung. Die Wissenschaftler möchten die Beziehung zwischen der Eruptionsdynamik und der Oberflächen-deformation besser verstehen lernen. Zur Animation auf Abbildung klicken Quelle: ESA

SAR-Daten helfen beispielsweise dem Eisdienst des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie bei der Beratung von Schiffen bei Fahrten in eisbedeckte Gewässer. In den Polargebieten dienen die ERS-Daten zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit polarer Gletscher, der Drift des Meereises, des Grades der Schneebedeckung oder der Bildung von "frischem Eis" in den Schelfgebieten, die über Massenbilanzierungen langfristig Aufschluss über klimabedingte Veränderungen geben können.

Einsatzfelder von SAR-Daten

• Umweltmonitoring
• Gewinnung von Geoinformation
• Kartierung von Landbedeckung, Meereis, Hochwasser
• Ableitung von Wind und Seegang,
• Schiffsdetektion
• Messung von Bodenfeuchte
• Gletschermonitoring
• Biomassebestimmung
• Erfassung geodynamischer Prozesse (Vulkanismus, Bodensenkungen, Hangrutsche)
• Erzeugung von digitalen Höhenmodellen

Die Entwicklung des Synthetischen Aperture Radar durch Carl Wiley ermöglichte erst die Nutzung von Radar-Sensoren auch aus dem Weltall. Die erste, allerdings nur kurzzeitige Mission mit einem bildgebenden Radar-Sensor war Ende 1970er Jahre der amerikanische Satellit Seasat. Danach wurde eine Vielzahl von satellitengestützten Radarsensoren entwickelt und erfolgreich zur Beobachtung der Erde in verschiedenen Wellenlängenbereichen eingesetzt.

Als Meilenstein galt dabei der europäische Fernerkundungssatellit ERS-1, der mit einem C-Band SAR-Sensor 1991 seine Arbeit begann. 1995 folgte ERS-2, eine nahezu baugleiche Kopie von ERS-1 auf demselben Satellitenorbit. Beide Satelliten konnten so in einem Abstand von 24 h dasselbe Gebiet der Erde beobachten. Mit dieser Tandem-Konfiguration konnte man erstmals mittels SAR-Interferometrie beinahe weltweit aus SAR-Daten Digitale Geländemodelle ableiten. Diese Konzepte zur weltweit homogenen und hochgenauen DGM-Bestimmung wurden fortgesetzt durch die von ESA und NASA gemeinsam betriebenen Missionen Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) sowie die deutsche TanDEM-X Mission. Letztere ist eine Erweiterung der TerraSAR-X Mission, wobei über die Nutzung von zwei beinahe gleichzeitig, jedoch von unterschiedlichen Orbits aufgenommenen SAR-Bildern, eine DGM-Genauigkeit von wenigen Meteren erreicht wird.

Weitere aktuelle Missionen (2020) im zivilen Bereich sind u.a. Sentinel-1a (ESA 2014), CosmoSkymed (Italien 2007, Dual Use), PAZ (Spanien 2018), Radarsat-2 (Kanada 2007) und ALOS-2 (Japan 2014).

Weitere Informationen:

• Synthetic Aperture Radar (Wikipedia)
• SAR-EDU - Lernportal zur radargestützten Fernerkundung (DLR, Geographischen Instituts der Universität Jena)
• Echoes in Space - Introduction to Radar Remote Sensing (ESA)
• What is Synthetic Aperture Radar? (NASA)
• Get to know SAR (NASA/JPL)
• SAR Tutorial: Basic Principles of Radar - Made simple! (Airbus D&S)
• What is Synthetic Aperture Radar? (NASA)
• Dark Vessel Detection (MDA)
• Ship Detection from Space: Why is SAR data analysis so important for maritime ecosystems? (SPACEKNOW 2022)
• ‘Dark Ships’ Emerge From the Shadows of the Nord Stream Mystery (WIRED 2022)

SAR-Altimetrie

Mittels SAR-Satellitenaltimetrie kann das Relief der Meeresoberfläche ausgemessen werden, wie es durch lokale Schwereanomalien bedingt und somit zum Relief des Meeresbodens korrelierbar ist. Neu gewonnene Erkenntnisse über das Relief des Ozeanbodens sind u.a. für die Zirkulation des Tiefenwassers von Bedeutung.

SAR-EDU

Engl. Akronym für Synthetic Aperture Radar-Education; Bezeichnung für ein unter der Leitung des Geographischen Instituts der Universität Jena in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickeltes virtuelles Lernportal zur Radarfernerkundung. Es bietet Studierenden und Lehrenden, wie auch potenziellen Anwendern in Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Behörden die kostenfreie Möglichkeit, sich Schritt für Schritt mit den Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten von Radarbildern vertraut zu machen.

Kernstück der Webseite sind die mehr als 60 modular aufgebauten Lerneinheiten in Form von Präsentationen, Videos, interaktiven Übungen und Beispieldatensätzen. Die Lektionen behandeln dabei physikalische und mathematische Grundlagen, die Sensortechnik, Methoden der Digitalen Bildverarbeitung und zur Auswertung der Radardaten sowie Anwendungsbeispiele, unter anderem aus den Bereichen Ozeanographie, Land- und Forstwirtschaft. Besucher der Webseite haben zudem die Möglichkeit, zu jeder Lerneinheit Feedback zu geben und in einem Forum Fragen zu stellen oder sich mit anderen auszutauschen.

Neben der Weiterentwicklung des SAR-EDU-Portals soll auch die SAR-EDU-Sommerschule für angewandte Radarfernerkundung, welche in 2013 und 2014 erfolgreich durchgeführt worden ist, als jährliche Veranstaltung etabliert werden. Ihr Ziel ist es, verschiedene Nutzergruppen zusammenzubringen und ihnen eine Austauschplattform unabhängig von ihrem fachlichen Hintergrund zu bieten.

Weitere Informationen:

• SAR-EDU - Remote sensing Education Initiative (DLR und Partner)

SAR-Interferometrie (INSAR)

Engl. SAR Interferometry; in der SAR-Interferometrie wird der Phasenunterschied zwischen 2 SAR-Aufnahmen ausgewertet, der aus zwei quer zur Flugrichtung versetzt aufgenommenen SAR-Bildern entsteht. Dieser Phasenunterschied besitzt einen Bezug zur Geländetopographie und kann dafür genutzt werden, hochauflösende DHM abzuleiten. Der Versatz führt zu einer Weglängendifferenz, die sich in einem Phasenunterschied zwischen den Bildern äußert. Als ein Teilschritt einer ganzen Verarbeitungskette ist im Allgemeinen eine Phasenfortsetzung zur Beseitigung von Mehrdeutigkeiten erforderlich. Danach hängt der relative Höhenunterschied benachbarter Bildelemente des Interferogramms näherungsweise linear von der Phasendifferenz ab. Abhängig von der verwendeten Wellenlänge erhält man in Vegetationsbereichen ein DGM (langwelliges Signal, z.B. P-Band: 70 cm) oder ein DOM (kurzwellig, z.B. X-Band: 3 cm).

Durch die interferometrische Prozessierung von zwei SAR Aufnahmen und unter Verwendung eines externen digitalen Geländemodells können Oberflächendeformationen zwischen den beiden Zeitpunkten der SAR-Datenaufnahme bestimmt werden. Abhängig von der Anzahl und Qualität der SAR-Aufnahmen ist es möglich, diese Deformationen im Sub-Zentimeter-Bereich zu bestimmen.

InSAR Ergebnisse werden genutzt, um Erdbeben und regionale Deformationen zu studieren, vulkanische Deformationen und Gletscher- und Eismassenbewegungen zu beobachten und um Umwelt veränderungsbedingte Gefahren, wie Hangrutschungen und Landabsenkungen zu monitoren.

Den Durchbruch erzielte diese Technik mit den Starts der ERS-1 und ERS-2 Satelliten 1991 und 1995 sowie die SRTM im Jahr 2000. Bilddaten von Radar-Satelliten mit synthetischer Apertur (SAR), wie sie von Fernerkundungssensoren ERS-1, ERS-2, ENVISAT, TerraSAR-X, RADARSAT, ALOS sowie vom US Space Shuttle mit X-SAR aufgezeichnet werden, können erfolgreich zur SAR-Interferometrie genutzt werden.

Diese Technik wird bei folgenden Aufgabenstellungen angewendet:  

• Erosionskartierung: Bestimmung des Erosionspotentials und von Massenbewegungen
• Topografische Kartierung: Interferometrische Bilder können zur Generierung von Höhenkarten mit einer vertikalen Auflösung von einigen wenigen Metern benutzt werden.
• Vulkanologie: Monitoring der Dicke und Ausdehnung des Lavaflusses
• Seismologie: Messung von erdbebenbedingten Oberflächenverschiebungen.
• Forstwirtschaft: Monitoring der Abholzung
• Gletscherkunde: Messung der Änderungen der Eisdicke in Grönland und Antarktis

Weitere Informationen:

• SAR-Interferometrie (GFZ)
• Geomonitoring mittels SAR-Interferometrie (Michael Mares, TRIGIS GeoServices GmbH)

SAR-Lupe

Deutsches Satellitenaufklärungssystem aus fünf identischen Kleinsatelliten sowie einer Bodenstation zur Satellitenkontrolle und zur Bildauswertung bestehend. Als erst drittes System mit Radartechnik (nach den USA und Russland) können wetter- und tageszeitunabhängig hochauflösende Bilder von jedem Punkt der Erde gewonnen werden. Inzwischen verfügen auch Japan und Italien über solche Systeme.

Der Name „Lupe” kommt von der Fähigkeit, besonders interessante Ziele mit deutlich höherer Auflösung aufzunehmen. Nach Herstellerangaben ist dies bislang einmalig. Dies wird ermöglicht u. a. durch Kombination der SAR-Technik (möglicherweise auch mit zwei oder mehr Satelliten gleichzeitig) und des Spot-light-Manövers im Verbund mit der bildbearbeitenden Software, die die Parameter zusammenfasst.

Der Zugriff auf satellitengestützte Aufklärungssensoren trägt entscheidend zur Verbesserung der politischen und militärischen Urteils-, Handlungs- und Entscheidungsfähigkeit, aber auch zur Planung und Durchführung von Einsätzen der Streitkräfte bei.

Für die Bundeswehr als Nutzer entscheidend sind die unter 1 m liegende Auflösung, die spezifischen Vorteile des Radarsensors und die hohe Einsatzflexibilität des Systems durch eine Kommunikationsverbindung zwischen den Satelliten, die es ermöglicht, jederzeit die Auftragsdurchführung ihrem aktuellen Informationsbedarf anzupassen. Dies gewährleistet eine durchschnittliche Systemantwortzeit von ca. elf Stunden, d.h. ein Bild eines beliebigen Punktes der Erde liegt im Mittel elf Stunden nach Vorliegen des Auftrags in der Satellitenkontrolle vor.

Die Satelliten wurden in den Jahren 2006 bis 2008 mit russischen Kosmos-3M Trägerraketen von Plesetsk (südl. Archangelsk) aus ins All gebracht, der Start des ersten Exemplars war am 19. Dezember 2006 erfolgreich, der letzte am 22. Juli 2008. Die Bodenstation befindet sich in Gelsdorf bei Bonn. Benutzbar ist das System seit 2007, seine volle Leistungsfähigkeit wurde 2008 erreicht. Alle Satelliten sind auch nach der 2001 vertraglich vereinbarten Missionsdauer bis heute (Februar 2024) funktionsfähig und werden von OHB betrieben.

SAR-Lupe Das SAR-Lupe System besteht aus fünf baugleichen Satelliten, die jeweils in einem Abstand von sechs Monaten gestartet wurden. Das System dient der deutschen Bundeswehr als nationales Aufklärungssystem zur Überwachung von Krisengebieten. Mit seinem hochauflösenden Radar garantiert SAR-Lupe kontinuierliche, weltweite Aufklärung in höchster Bildqualität, unabhängig von Wetter sowie Tages- und Nachtzeit. Quelle: DLR

Das Gewicht eines einzelnen Satelliten beträgt ca. 720 kg, seine Größe wird mit 4 × 3 × 2 m angegeben. Die geschätzte Lebensdauer beträgt mindestens 10 Jahre, bei einer erwarteten Verlässlichkeit von 97 % pro Jahr. Die Satelliten kreisen in drei verschiedenen Bahnebenen auf polnahen Umlaufbahnen mit einer Inklination von 98 Grad und einer mittleren Bahnhöhe von 500 km.

Die Satelliten benutzen ein Synthetic Aperture Radar (SAR), mit dem von jedem Licht- und Wetterverhältnis unabhängig Bilder gewonnen werden können. Die SAR-Technik erlaubt durch mehrfaches Aufnehmen eines Zieles aus verschiedenen Winkeln und entsprechender Nachbearbeitung der Daten eine erheblich höhere Auflösung als ein vergleichbares normales Radar. Radartechnik hat gegenüber Optik neben der Wetterunabhängigkeit noch weitere Vorteile für die militärische Aufklärung: So können Höhenunterschiede besser gemessen und Bewegungsgeschwindigkeiten bestimmt werden. Da Radarwellen von Wasser und Metall besonders gut reflektiert werden, können Menschen und technische Geräte (z. B. Fahrzeuge oder auch Minen) besonders gut erkannt werden. Teilweise kann auch durch Bäume oder Tarnnetze hindurch aufgeklärt werden. Jedoch ist es technisch zumindest möglich, mit Hilfe eines Störsenders das Radar zu behindern oder gar zu blockieren.

Die Herstellung des SAR-Lupe Systems unterliegt einem Konsortium europäischer Unternehmen, angeführt von der Bremer OHB-System AG, der auch die Gesamtleitung obliegt und die das Satellitenbodensegment betreibt. Die in Gelsdorf bei Bonn errichtete Bodenstation ist unterteilt in zwei Segmente, das Nutzer- (NBS) und das Satelliten-Bodensegment (SBS). Ersteres übernimmt im Wesentlichen die Zielauswahl und Auswertung der Bilder, das SBS kümmert sich um die technische Steuerung, Datenaustausch und Bilderzeugung. Der Satellit nimmt selbst keine Vorverarbeitung vor, sondern liefert nur Rohdaten.

Im Zuge des Projekts ESGA (Europäisierung der satellitengestützten Aufklärung), das anteilig von Deutschland und Frankreich finanziert wird, werden die technischen Voraussetzungen geschaffen, um Frankreich eine Mitnutzung des deutschen Radarsystems SAR-Lupe zu ermöglichen. Deutschland erhält von Frankreich im Gegenzug den Zugriff auf das optische System HELIOS II. Die Nutzung der beiden Satellitensysteme im Verbund gilt als erster Meilenstein für eine europäische strategische Aufklärung. Die Verteidigungsministerien von Frankreich und Deutschland hatten ein entsprechendes Abkommen im Rahmen eines deutsch-französischen Gipfeltreffens 2002 in Schwerin beschlossen.

Die Bundeswehr wird für ca. 800 Mio. Euro drei neue Satelliten als Nachfolger von SAR-Lupe anschaffen. Die Projekt-Gesamtleitung liegt wiederum bei der Bremer Firma OHB-System AG. Das neue System mit dem Namen SARah soll in Gänze ab 2023 nutzbar sein und die bisherigen SAR-Lupe-Satelliten nach Ablauf von deren Lebensdauer ersetzen. Die drei neuen Satelliten (zwei mit der bisherigen Radartechnik, einer mit einem sog. Phased-Array-Radar) werden größer sowie leistungsfähiger sein. Zudem soll für 170 Mio. Euro auch ein Satellit für die optische Aufklärung angeschafft werden, um die diesbezügliche Abhängigkeit von Frankreich zu verringern.

Weitere Informationen:

• SAR-Lupe Broschüre (OHB System)
• Das erste satellitengestützte Aufklärungssystem Deutschlands SAR-Lupe (Zhouwei Zhang)
• Deutscher Aufklärungssatellit SAR-Lupe erfolgreich gestartet (A. Schütz, DLR)
• SAR-Lupe (Wikipedia-Artikel)
• SAR-LUPE (OHB System)
• SAR-Lupe Constellation (eoPortal Directory)
• Deutschlands Augen im Weltraum – Die Satellitenaufklärungssysteme SAR-Lupe und SARah (OHB Systems 2023)

SARah

Engl. Akronym für Synthetic Aperture Radar ah, wobei die Nachsilbe 'ah' dazu dient, einen griffigen Namen zu prägen. SARah ist ein satellitengestütztes Radar-Aufklärungssystem, das der Bundeswehr zur radargestützten weltweiten abbildenden Aufklärung bis in das Jahr 2032 dienen soll.

Bei SARah handelt es sich um die Nachfolgemission des seit 2007 im Dienst befindlichen SAR-Lupe-Systems. Für die Realisierung war – wie schon bei SAR-Lupe – die OHB System AG als Hauptauftragnehmerin beauftragt worden. In Kooperation mit Airbus Defence and Space als Unterauftragnehmer wurden für die Mission insgesamt drei Radarsatelliten entwickelt und gebaut. Auftraggeber für SARah ist das Bundesministerium der Verteidigung (BMVg), vertreten durch das Bundesamt für Ausrüstung, Informationstechnik und Nutzung der Bundeswehr (BAAINBw).

Durch die Kombination der beiden Satellitentypen können die Vorteile der einzelnen Technologien für das Gesamtsystem genutzt werden, um der Bundeswehr eine verbesserte weltweite tageszeit- und wetterunabhängige Aufklärungsfähigkeit zur Verfügung zu stellen.

Nach ursprünglicher Planung sollten die Satelliten in den Jahren 2018 und 2019 von zwei Falcon-9-Raketen des amerikanischen Unternehmens SpaceX ins All gebracht werden. Nach Verzögerungen wurde SARah-1 am 18. Juni 2022 gestartet. Der Start und die Inbetriebnahme (LEOP) dieses Satelliten wurden aus dem Kontrollzentrum von Airbus in Friedrichshafen betreut. Die anschließende Kalibrierung, Validierung und der Betrieb erfolgen aus dem Kontrollzentrum der Bundeswehr. Bodenstationen in Gelsdorf (Deutschland) und Kiruna (Schweden) werden für die Kommunikation mit dem Raumfahrzeug genutzt. Die Satelliten SARah-2 und SARah-3 wurden am 24. Dezember 2023 gemeinsam von der Vandenberg Space Force Base in Kalifornien aus gestartet.

Das Vorgängersystem SAR-Lupe konnte Gegenstände etwa ab einer Größe von 50 cm bis 1 Meter erfassen. SARah soll im Vergleich zu SAR-Lupe die Aufklärungsfähigkeiten erweitern, insbesondere hinsichtlich verbesserter Auflösung der Bilder, erweiterter Bildgröße und durch mehr Speicher auch eine größere (Bilder-)Anzahl ermöglichen. Die Übertragung von den Satelliten zur Bodenstation, die bei SAR-Lupe oftmals nur um etliche Stunden zeitversetzt möglich ist, wenn der Satellit sich wieder in der Nähe der Bodenstation befand, soll mit mehr Rechenkapazität beschleunigt und durch den Aufbau einer weiteren Bodenstation im nordschwedischen Kiruna erleichtert werden.

Das von der OHB Systems AG als Hauptauftragnehmer zu entwickelnde System SARah besteht aus drei Satelliten (gegenüber fünf bei SAR-Lupe) und zwei Bodenstationen. Es basiert mit zwei der drei Satelliten auf einer Weiterentwicklung der Reflektortechnologie des gegenwärtigen Systems SAR-Lupe. Ergänzt wird das System durch einen dritten Satelliten, der eine Weiterentwicklung der ebenfalls bereits im All bewährten Phased-Array-Technologie der Airbus Defence and Space darstellt. Sie ist derzeit schon auf dem zivilen Satelliten-Duo TerraSAR-X/Tandem-X im Einsatz. Das Gesamtauftragsvolumen liegt bei 816 Millionen Euro.

Unter "Phased Array" versteht man phasengesteuerte Antennen, die aus vielen einzelnen Sende-/Empfangsmodulen zusammengesetzt sind, die miteinander verschaltet, gebündelt und unterschiedlich angesteuert werden können. Dies erlaubt dem Nutzer Aufnahmen mit schnellen Bildfolgen bei variablen Bildgrößen ohne mechanisches Bewegen der Antenne.

Durch den Verbund dieser beiden Radar-Technologien ergeben sich wesentliche Leistungsverbesserungen im Ergebnis des Gesamtsystems. Zu den wesentlichen Zulieferern zählt der französische Konzern Thales. Die zwei Satelliten mit Reflektortechnologie werden die Erde in rund 500 km Höhe umkreisen. Der dritte, als erster gestartete Satellit mit dem Phased-Array-Radar fliegt höher, in rund 750 km.

Deutlich leistungsfähiger sollen auch die Rechen- und Speicherkapazitäten an Bord der Satelliten und am Boden werden, damit mehr und genauere Bilder verfügbar werden. Deren Übertragung von den Satelliten zur Bodenstation - die derzeit oft nur um etliche Stunden zeitversetzt möglich ist, wenn der Satellit sich wieder nahe der Bodenstation befindet - soll beschleunigt und durch den Aufbau einer weiteren Bodenstation im nordschwedischen Kiruna ausgebaut werden.

SARah Die drei neuen SARah-Satelliten bestehen aus zwei Reflektor-Satelliten und einem Phased Array-Satelliten Die SARah-Satelliten sichern der Bundeswehr die Fähigkeit zur weltweiten, tageszeit- und wetterunabhängigen abbildenden Aufklärung. Gleichzeitig unterstützen sie bei der Krisenfrüherkennung und Krisenbewältigung. SARSynthetic Aperture Radar steht dabei für Synthetic Aperture Radar, ein bildgebendes Radarverfahren. Quelle: Bundeswehr

Weitere Informationen:

• SARah - Das Nachfolgeprogramm für Deutschlands satellitengestützte Radaraufklärung (OHB Systems)
• SARah - Ein enormer Gewinn für die Aufklärung (Bundeswehr 2022)
• Deutschlands Augen im Weltraum – Die Satellitenaufklärungssysteme SAR-Lupe und SARah (OHB Systems 2023)

SARAL

Engl. Akronym für Satellite with ARgos and ALtiKa; Erdbeobachtungssatellit der indischen und französischen Weltraumagenturen ISRO und CNES. Er wurde am 25. Februar 2013 um 12:31 UTC mit einer PSLV-Trägerrakete zusammen mit weiteren Satelliten vom indischen Satish Dhawan Space Centre auf eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 785 km Höhe gebracht (Bahnneigung 98,5°).

Der dreiachsenstabilisierte Satellit ist mit einem im Ka-Band (35,75 GHz) arbeitenden Radar-Höhenmesser (AltiKa) mit integriertem Zweifrequenz-Radiometer, einem System zur exakten Bahnbestimmung (DORIS), einem Laserreflektorarray (LRA) sowie einem Transpondersystem (Argos-3) ausgerüstet. AltiKa soll exakte Daten zur Topographie der Oberfläche der Weltmeere liefern und damit die vom Radaraltimeter RA-2 an Bord von ENVISAT durchgeführten Messungen fortsetzen. Die gewonnenen Daten sollen vom französischen Bodensegment SALP (Système d'Altimétrie et de Localisation Précise) verarbeitet werden, das bereits für die Auswertung der Daten der Höhenmesser der Satelliten ENVISAT, GFO, Jason-1 und Jason-2 sowie TOPEX/Poseidon eingesetzt wurde. Argos-3 kann ebenfalls zur Beobachtung der Ozeane dienen, indem der Transponder die von Bojen auf der Meeresoberfläche erfassten Daten bzgl. Windgeschwindigkeit und Wellenhöhe weiterleitet.

Weitere Informationen:

• SARAL/AltiKa (CNES)
• SARAL (eoPortal Directory)

Satellit

Satelliten sind im weiten Sinne alle astronomischen Objekte, die einen Himmelskörper – einen Stern, Planeten oder Mond oder anderes – umkreisen. Im Kontext der Raumfahrt und im üblichen Verständnis ist ein Satellitein künstlicher Raumflugkörper, der einen Himmelskörper auf einem elliptischen oder kreisförmigen Orbit die Erde oder andere Planeten zur Erfüllung wissenschaftlicher, kommerzieller oder militärischer Zwecke umkreist.

Einige Grundlagen

Die künstlichen Satelliten sind vom Menschen gebaute Raumflugkörper, die die Erde, den Mond oder einen anderen Himmelskörper z.B. die Sonne, Asteroiden und die Planeten Venus, Mars und Jupiter auf einer Umlaufbahn umkreisen. Bei den extraterrestrischen Satellitenmissionen steht die Gewinnung von Informationen über die betreffenden Himmelskörper im Mittelpunkt. Irdische Satelliten besitzen im allgemeinen wissenschaftliche, wirtschaftliche (z.B. Telekommunikation, Navigation oder Ernteüberwachung), industrielle oder militärische Aufgaben.

Bemannte Raumfahrzeuge auf Umlaufbahnen wie z.B. Raumkapseln, Raumgleiter (Dragon, früher Space Shuttle, künftig Dream Chaser) und Raumstationen (ISS) werden ebenfalls den künstlichen Satelliten zugerechnet. Gleiches gilt auch für auf Umlaufbahnen befindlichen Weltraummüll (z.B. ausgebrannte Raketenbooster, leere Treibstofftanks).

Ein Satellit bleibt auf seiner Umlaufbahn wegen des Gleichgewichts zwischen seiner Geschwindigkeit und der Anziehungskraft zwischen Satellit und Erde. Einem Satelliten fehlt – auch nach Erreichen seiner Laufbahn – ein Eigenantrieb, was ihn vom Raumschiff unterscheidet. Einfache Raketen für Bahnkorrekturen oder Bremsraketen, die zu einem kontrollierten Absturz führen, reichen im fachsprachlichen Sinne nicht aus, einen Satelliten zum Raumschiff zu machen.

Die Mindestflughöhe bei künstlichen Erdsatelliten liegt bei ca. 200 km, da sonst die bremsende Wirkung der Erdatmosphäre noch zu groß ist. Ein Umlauf um die Erde in dieser Flughöhe dauert ca. 90 min bei einer Geschwindigkeit von ca. 28.000 km/h. Satelliten umkreisen die Erde häufig von W nach O, da so die Erddrehung beim Start mit genutzt werden kann, um die Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen.

Satelliten bestehen im allgemeinen aus einem sog. Satellitenbus und einer darauf montierten Nutzlast (engl. payload). Der Satellitenbus ist die eigentliche mechanische Trägerstruktur und enthält alle von der Nutzlast gemeinsam genutzten Untersysteme wie Stromversorgung (Sonnenpanele, Batterien, engl. power distribution unit, Akron. PDU, etc.), Recorder zur Aufzeichnung der Daten, Kommunikationseinrichtungen (um mit Bodenstationen in Kontakt treten zu können), Einrichtungen um den Wärmehaushalt des Satelliten zu regeln, Lageregelungssystem (engl. attitude and orbit control system, Akron. AOCS) und die Instrumente zur Positionsbestimmung.

Klassifikationskriterien sind neben Größe und Missionszweck die Art der Umlaufbahn (geostationär, polumlaufend, LEO, MEO) oder der Einsatz von passiven bzw. aktiven Sensorsystemen.

Verschiedene Anwendungsbereiche

Obwohl sie sich Tausende Kilometer entfernt im Weltraum befinden, sind Satelliten indirekt aus dem Alltag der meisten Menschen nicht mehr wegzudenken: Satelliten-TV, Navigationsgeräte und Wettervorhersagen würden ohne Satelliten unter anderem nicht mehr funktionieren. Satellitenfernerkundung und -bilder werden für eine Vielzahl von Anwendungen in Unternehmen, Behörden und für Verbraucher verwendet. Hier sind nur einige Beispiele:

• Kommerzielle Anwendungen: Bergbau, Forstwirtschaft und Fischerei sind nur einige der Wirtschaftszweige, die Satellitenfotos und -bilder nutzen, um alles Mögliche zu überwachen, von der Meerestemperatur über die Überwachung von Fischbeständen bis hin zum Wachstum von Wäldern und Vegetation. Satelliten-Fernerkundungsunternehmen liefern auch Fotos und Geodaten für kommerzielle Web-Mapping-Unternehmen wie Google Maps und Apple Maps.
  Schließlich das 'Internet der Dinge' (IoT) - es bezeichnet Geräte, die vernetzt oder mit dem Internet verbunden sind. Dazu gehören Laptops, Tablets und Mobiltelefone, aber auch eine Vielzahl von Geräten wie Verkaufsautomaten, Peilsender, Öl- und Gasbohrungen, vernetzte Autos und buchstäblich Milliarden anderer Geräte. Über Satellitendaten können viele dieser Geräte verbunden werden, selbst wenn sie weit außerhalb der Reichweite terrestrischer Netze betrieben werden.
• Wetter: Satelliten liefern häufige Beobachtungen der Erdoberfläche, indem sie sowohl Fotos im sichtbaren Spektrum als auch Wasserdampf- und Infrarotbilder zur Beobachtung der atmosphärischen Feuchtigkeit, der Wolkendecke und von Stürmen verwenden, was eine nahezu kontinuierliche Überwachung der globalen Wetterbedingungen und Vorhersagen ermöglicht. Satelliten-Fernerkundungsdaten helfen den Meteorologen auch bei der Vorhersage der Zugbahn und des Ausmaßes von Stürmen, z. B. von Hurrikanen, und tragen so zur Rettung von Menschenleben bei.
• Landwirtschaft: Landwirte und Viehzüchter nutzen Satelliten-Fernerkundungsbilder und -daten zur Überwachung der Erntebedingungen, um Ernteerträge, Bodenfeuchtigkeit für das Bewässerungsmanagement, Insekten oder Schädlinge sowie den Zustand des Viehbestands zu prognostizieren. All diese Informationen tragen dazu bei, die Landwirtschaft so produktiv wie möglich zu gestalten.
• Nationale Verteidigung und Nachrichtendienste: Satellitenfotos und -bilder werden von Regierungen und dem Militär für nachrichtendienstliche Zwecke und andere Verteidigungsanwendungen verwendet, um Bodenbedingungen, Truppen- und Ausrüstungsstandorte, Bewegungen und andere Daten aus dem Weltraum zu ermitteln.
• Notfallhilfe und Katastrophenschutz: Hierbei sind die bildgebenden Verfahren der Satellitenfernerkundung von großer Bedeutung. Da Satelliten weit über der Erdoberfläche fliegen, sind auch weltraumgestützte Sprach-, Daten- und Breitbanddienste ideal für den Einsatz von Notfallhelfern, die oft dort Dienste benötigen, wo terrestrische Netze durch Wirbelstürme, Erdbeben oder andere Katastrophen beschädigt oder zerstört wurden. Satelliten bieten auch normalen Bürgern in den Monaten, die der Wiederaufbau von Mobilfunkmasten in Anspruch nehmen kann, Anschlussmöglichkeiten.
• Telemedizin per Satellit: Engl. Satellite Telehealth, Telemedicine; Telemedizinische Dienste können ländliche und abgelegene Patienten über Breitband-Internetverbindungen mit Allgemeinmedizinern und Fachärzten in städtischen Zentren verbinden, doch viele Menschen in Gebieten, die weit außerhalb der Reichweite der terrestrischen mobilen Breitbandversorgung liegen, haben keinen Zugang zu dieser Verbindung.
  Da Satellitenbreitband die einzigartige Fähigkeit besitzt, Dienste in un- und unterversorgten Regionen anzubieten, kann es dazu beitragen, die digitale Kluft im Bereich der Telemedizin zwischen den angeschlossenen und den nicht angeschlossenen Menschen zu überbrücken. Es eignet sich besonders für die Bevölkerung in ländlichen Gebieten, da es Verbindungen für medizinische Videokonferenzen, die Übertragung von Krankenakten und medizinischen Bildern, digitale Nachrichten und E-Mails sowie die digitale Bearbeitung von Rezepten bietet.
• Umweltmonitoring, Forschung: Forschungssatelliten gewinnen beispielsweise Daten über die Höhe des Meeresspiegels oder zeigen den Zustand der Vegetation.

Wettlauf um die Vorherrschaft im All

Im Oktober 1957 beförderte die Sowjetunion mit dem Flugobjekt Sputnik 1 (russ. für 'Begleiter' oder 'Trabant') den weltweit ersten Satelliten in die Erdumlaufbahn. Mitten im Kalten Krieg konnte die Sowjetunion damit ihre Führungsrolle in der Raumfahrt verdeutlichen. Die USA gründete deshalb 1958 die Bundesbehörde für Luft- und Raumfahrt NASA (National Aeronautics and Space Administration) und wurde schließlich Marktführer der internationalen Raumfahrtindustrie. Allein im Jahr 2016 machte die US-Satellitenindustrie einen Umsatz von rund 110 Milliarden US-Dollar.

Die Vorherrschaft im Weltraum ist weiterhin umkämpft: 2022 nutzten oder betrieben mehr als 80 Staaten Satelliten. Zehn Länder können mit eigenen Raketen Satelliten ins All befördern. Im März 2018 gelang beispielsweise Indien der Start eines Satelliten. Das Land positionierte sich somit in den Augen des indischen Premierministers neben den USA, Russland und China als eine weitere Großmacht im All.

Von 2016 bis 2020 wurden durchschnittlich 585 Satelliten pro Jahr gestartet. Diese Zahl stieg auf über 1.700 im Jahr 2021, was einem satten Anstieg von etwa 200 Prozent entspricht. Knapp 4.900 Satelliten kreisten am 31. Dezember 2021 um die Erde. Der USA gehörten zum angegebenen Zeitpunkt über 2.900 Stück der künstlichen Erdtrabanten im All. Auf Platz zwei lag China mit fast 500 Satelliten.

Die weltweite Satellitenindustrie ist eine besonders lukrative Sparte der Raumfahrt: Der Umsatz der Herstellung, des Betriebs und der Wartung von Satelliten wuchs zwischen 2008 und 2018 kontinuierlich und lag 2020 bei 271 Milliarden US-Dollar. Im Laufe des Jahres 2021 wurde eine Rekordzahl von 1.713 kommerziellen Satelliten gestartet, was einem Anstieg von mehr als 40 Prozent gegenüber dem Jahr 2020 entspricht. Dies steht in direktem Zusammenhang mit dem stetigen Rückgang der Kosten für die Herstellung und den Start von Satelliten. Vor 50 Jahren kostete es 10.000 Dollar, ein Kilo Nutzlast in eine niedrige Erdumlaufbahn zu schicken. Inzwischen war der Preis z. B. bei SpaceX auf 2.600 Dollar gefallen, ein Niveau, das 2022 aber wieder auf 5.500 Dollar anstieg.

Die Startdienste verzeichneten ein deutliches Wachstum - der Umsatz stieg 2021 um 8 Prozent auf 5,7 Mrd. USD, da 2021 eine historisch hohe Zahl von Starts stattfand. Davon war fast ein Drittel in den Bereichen Erdbeobachtung und Meteorologie aktiv. Bei den kleinen und sehr kleinen Satelliten (d.h. mit einer Masse von weniger als 1.200 kg) berichtet die Satellite Industry Association (SIA), dass kleine Raumfahrzeuge etwa die Hälfte der insgesamt 3.000 Tonnen im Orbit ausmachen. Darüber hinaus stieg die Anzahl der Satelliten im Orbit über fünf Jahre hinweg um 49 % (von 1.167 im Jahr 2013), was hauptsächlich auf neu gestartete kleine Systeme in LEO zurückzuführen ist.

Dem Bericht 2022 State of the Satellite Industry Report der Satellite Industry Association (SIA) umkreisten Ende 2021 insgesamt 4.852 Satelliten die Erde. Das ist ein Anstieg von 179 Prozent in den letzten fünf Jahren!

Der Boom der Satellitenindustrie und der damit verbundenen Vorteile von weltraumgestützten Diensten für die Weltwirtschaft klingt verführerisch, doch die rasch wachsende Zahl von Satelliten in der Erdumlaufbahn deutet unmittelbar auf eine zunehmende Gefahr von Schäden an Raumfahrzeugen hin, die wiederum zu katastrophalen Kollisionen führen könnten.

Jüngsten Schätzungen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zufolge fliegen mehr als 30 000 Trümmerteile um die Erde, die regelmäßig von Weltraumüberwachungsnetzen erfasst werden. Besorgniserregend ist jedoch, dass es wahrscheinlich über 1 Million Objekte mit einer Größe von mehr als 1 cm gibt, die nicht einmal erfasst werden!

Größentrend bei FE-Satelliten: Immer kleiner?

Da die Anzahl der pro Jahr gestarteten Satelliten in den letzten zehn Jahren zugenommen hat, sind die Begriffe "Smallsat" und "Cubesat" in den Medien zu Schlagwörtern geworden, wobei viele Menschen die Begriffe synonym verwendet werden. Werden die Satelliten kleiner? und gilt das für alle Satelliten?

Zu Beginn jeder Betrachtung über die Masse/Größe von Satelliten ist es ist es von Vorteil, die Terminologie zu klären. Das Diagramm mit der Tabelle unten gibt die Struktur der Terminologie für Satelliten unterschiedlicher Massen wider. Global ist die Klassifizierung nicht einheitlich. Beachten Sie, dass "Cubesat" ein Begriff ist, der das Volumen eines Satelliten Volumen und nicht die Masse eines Satelliten beschreibt, wobei ein Würfel von 10 x 10 x 10 cm die Grundeinheit des Volumens ist und als 1 Einheit (U) bezeichnet wird. Cubesats, die größer als 1 U sind, werden durch das entsprechende Volumen beschrieben, das sie einnehmen, wie in der Abbildung rechts dargestellt.

Größenklassen von Satelliten Terminologie für Satelliten unterschiedlicher Massen Satellitenklassen nach Masse (nach Federal Aviation Administration Office of Commercial Space Transportation, 2018). Quelle: USGS

Größenklassen von Satelliten Verschiedene Größen von Cubesats und ihre Nomenklatur (U, unit) Quelle: USGS

Der Einstieg des Menschen in den Weltraum begann mit Satelliten, die man heute als Kleinsatelliten bezeichnen würde. Sputnik-1, der erste künstliche Satellit, wog 83,6 kg, als er am 4. Oktober 1957 startete. Der erste US-Satellit, der eine Umlaufbahn erreichte, Explorer-1, der am 31. Januar 1958 gestartet wurde, war mit 13,9 kg sogar noch kleiner.

Mit den zunehmenden Fähigkeiten der EO-Satelliten stiegen auch deren Masse, Komplexität und Kosten. Die Masse von Landsat 1 (953 kg) wuchs mit jedem weiteren Satelliten, bis Landsat 8 (2.071 kg) im Jahr 2013 gestartet wurde. In der zivilen FE-Welt wurde der Höhepunkt mit dem Start von Envisat (8.100 kg) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) im Jahr 2002 erreicht.

Der Trend zu immer größeren Satelliten schwächte sich zu Beginn des 21. Jahrhunderts ab und es begann ein verbreiteter Trend zu EO-Satelliten mit geringerer Masse, der sich im letzten Jahrzehnt beschleunigt hat. Die auffälligste Verringerung der Masse von EO-Satelliten wurde bei Forschungssatelliten von Universitäten und insbesondere bei kommerziellen Satelliten beobachtet. Durch die Verringerung der Masse von Satelliten können mehr Satelliten mit einem einzigen Start in die Umlaufbahn gebracht werden, was zu niedrigeren Kosten pro Satellit führt, was für jedes Unternehmen einen starken Anreiz zur Kosteneinsparung darstellt. Einige kommerzielle Unternehmen gehen auch zu kürzeren Nutzungszeiten über, wodurch der Bedarf an Redundanz und Treibstoff sinkt, beides Faktoren, die die Masse in die Höhe treiben. Kürzere Betriebszeiten machen zwar einen häufigeren Austausch erforderlich, aber die kommerziellen Unternehmen sehen darin auch eine Chance, da sie so neuere, leistungsfähigere Satelliten mit neueren Technologien starten können.

Planet, Inc. ist das bekannteste Beispiel für diese EO-Satellitenphilosophie. Ihre Dove-Satelliten wiegen 5,8 kg. Jede Dove ist ein 3-U-Würfelsatellit mit den Abmessungen 30 cm x 10 cm x 10 cm im verstauten Zustand.

Wird sich dieser Trend zu immer kleineren EO-Satelliten fortsetzen? Obwohl es möglich ist, Satelliten noch kleiner zu bauen, gibt es Anzeichen dafür, dass Würfelsatelliten wie Planet's Doves aufgrund politischer und technischer Beschränkungen an der Grenze dessen sind, was gestartet werden kann. In den Vereinigten Staaten und anderen Ländern müssen die Satelliten mindestens 1 U groß sein, d. h. ein 10-cm-Würfel, damit die vorhandenen Bodenradare ihre Umlaufbahnen überwachen können. Bei der Abbildung der Erde erfordern die physikalischen Begrenzungen der Diffraktion größere Teleskopöffnungen, um immer kleinere Merkmale auf der Erde aufzulösen.

Kleinere Aperturen sammeln auch weniger Photonen, was zu einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis führt und den Nutzen der Daten einschränkt. Außerdem verzichten Würfelsatelliten wie Planet's Doves in der Regel auf einen Antrieb, um Größe, Gewicht und Risikoprofil beizubehalten, was sie daran hindert, ihre Orbitalposition beizubehalten und eine längere Lebensdauer in der Umlaufbahn zu haben.

Diese Faktoren fließen auch in die Entscheidungen über das Satellitendesign ein. Mit der Ankündigung neuer Konstellationen scheint der Ansturm auf Cubesats für kommerzielle Zwecke seinen Höhepunkt erreicht zu haben. Das Vorhaben, Satelliten kleiner zu machen, wurde im Orbit getestet und erforscht. Größe und Masse sind nur zwei Faktoren, die beim Satellitendesign in Betracht gezogen werden, wobei Betriebsfunktionen, Antrieb, Startkosten und vieles mehr bei der Festlegung der Satellitenarchitektur ebenfalls eine Rolle spielen.

Datenübertragung

Satelliten in einem hohen, geosynchronen Orbit stehen in beständigem Kontakt mit der Erde, z.B. der Bodenstation oder den Fernsehempfängern. Satelliten auf niedrigen Umlaufbahnen können von den Bodenstationen bis zu 12 mal pro Tag kontaktiert werden. Bei jedem Kontakt übermittelt der Satellit Informationen bzw. erhält Instruktionen. Jeder Kontakt muss in der Überfliegungsphase durchgeführt werden, die ca. 10 min dauert.

Ein neues optisches System der Satellitenkommunikation wird die Abhängigkeit vom Sichtkontakt zu einer Bodenstation beenden. Im Rahmen einer öffentlich-privaten Partnerschaft zwischen der ESA und Airbus Defence and Space wird Europas erstes optisches Kommunikationsnetz (Europäisches Datenrelaissystem, EDRS) Nutzerdaten echtzeitnah mit einer Geschwindigkeit von 1,8 Gbit/s weiterleiten können. Diese Datenraten waren mit den klassischen Radiofrequenzen bislang nicht erreichbar. Mit dem EDRS werden diese Daten von einer höher gelegenen geostationären Position aus über eine Laserverbindung eingeholt und sofort zur Erde gesendet, womit sich der Zugriff auf zeitkritische, möglicherweise lebensrettende Daten ganz erheblich verkürzen wird. Der erste von zwei Verbindungsknoten wurde Ende Januar 2016 als Huckepacknutzlast des Telekommunikationssatelliten Eutelsat-9B ins All gebracht.

Nutzlast bei Fernerkundungssatelliten

Die Nutzlast besteht bei Fernerkundungssatelliten oft aus mehreren Sensorsystemen, die für unterschiedliche Beobachtungsobjekte konstruiert wurden. Dafür werden auch verschiedenartige Detektor-Technologien verwendet. Auf dem seit 2011 inaktiven Satelliten ERS-2 befanden sich z.B. ein aktives abbildendes Radar zur Kartierung der Erdoberfläche und der Ozeane, ein Altimeter zur Bestimmung der Geländehöhe, ein passives Mikrowellengerät zur Temperaturmessung und ein Ozonsensor. Mit der Vielzahl an Sensoren für unterschiedlichste Einsatzzwecke auf dem ENVISAT (seit 2012 inaktiv) wurde ein vorläufiges Extrem erreicht. Künftige Missionen, zumindest im Rahmen der ESA werden kleiner und billiger ausfallen und mit begrenzter Nutzlast auf ein eng umrissenes Ziel ausgerichtet sein, wie beispielsweise CryoSat.

Weitere Informationen:

• List of Satellite Agencies, Missions, Instruments (EO Handbook)
• Satellitentechnik (Klaus Brieß, TU Berlin)
• Satellite Technology: How big is a Satellite? (NOAA)
• Solar System Exploration (NASA)
• Gunter's Space Page
• The Satellite Encyclopedia (sehr gute Übersicht)
• Es wird voll im All (Statista)
• How Satellites Work (NOAA 2020)
• Satellite Industry Association - Startseite
• Land Remote Sensing Satellites Online Compendium (USGS)
• The 50 Most Influential Satellites in History (GISGeography 2022)
• Übersicht über die jeweils ersten (eigenständig oder mit Unterstützung anderer) von einem Land gestarteten Satelliten und dessen aktuelle Satellitenmissionen (Wikipedia, engl.)

Satellite and Missile Observation System (SAMOS)

Bezeichnung für ein relativ kurzlebiges Projekt von amerikanischen Aufklärungssatelliten im Rahmen des WS-117L-Programms in den frühen 1960er Jahren. Es diente auch zur Tarnung der Frühphase des Keyhole-Systems KH-7 Gambit. Die Aufklärung wurde von niedrigen polaren Orbits aus sowohl mit elektrooptischen Systemen und Funkübertragung versucht, wie auch mit Filmkameras durchgeführt. Die belichteten Filme wurden mit Hilfe von Behältern abgeworfen und auf der Erde entwickelt.

Mit der neuen Technologie wurden digitale Videoaufnahmen mit dem Satelliten gemacht, die dann fast in Echtzeit zur Erde gefunkt wurden, wenn der Satellit die Bodenstationen in Nordamerika überflog. Dieser Ansatz stand in Konkurrenz zum Abwurf traditionellen Films in einer Bergungskapsel. Wenigstens zwei verschiedene Generationen von Satelliten wurden eingesetzt und wenigsten vier unterschiedliche Kameras. Die Datenübertragung per Funk erwies sich zur damaligen Zeit letztlich als unterlegen, da beim Überflug nur ein kleiner Teil der Daten zur Bodenstation übertragen werden konnte und in der Folge die Auflösung unbefriedigend war. Das Programm litt unter dauernden Fehlschlägen, lediglich von einem Satelliten mit elektrooptischen Sensoren erhielt man Bilder, die man aber eher als Kuriositäten bezeichnete.

Das erste SAMOS-Exemplar startete 1960 von der Vandenberg Air Base. Von Oktober 1960 bis November 1962 wurden wenigstens 11 Startversuche unternommen. SAMOS-2 war der erste Satellit, der auf eine sonnensynchrone Umlaufbahn gebracht wurde. Das rivalisierende Corona-Programm hatte zu dieser Zeit seine ersten Erfolge. Teile des Programms unterliegen noch immer der Geheimhaltung.

Weitere Informationen:

• SAMOS-A Pioneer (GlobalSecurity.org)

Satellite Application Facility (SAF)

Satelliten-Auswertezentren der Europäische Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten (EUMETSAT). Die SAFs sind integraler Bestandteil des verteilten EUMETSAT Bodensegmentes. SAFs nutzen die Erfahrungen und Expertisen der Mitgliedsstaaten und sind verantwortlich für die anwendungsbezogene Prozessierung von Satellitendaten. Jedes SAF wird von einem internationalem Konsortium entwickelt und betrieben, das unter der Leitung eines nationalen Wetterdienstes steht. Forschung, Daten, Produkte und Dienstleisungen der SAFs ergänzen dabei die Aktivitäten der EUMETSAT Zentraleinrichtung in Darmstadt. Zur Zeit existieren acht SAFs in unterschiedlichen Entwicklungstadien, mit Spezialisierung auf folgende Bereiche:

• Support to Nowcasting and very short range forecast (Nowcasting und Kurzfristvorhersage)
• Ocean and Sea Ice (Ozean und Meereis)
• Climate Monitoring (Klimaüberwachung)
• Numerical Weather Prediction (numerische Wettervorhersage)
• Land Surface Analysis (Landoberflächenanalyse)
• GRAS Meteorology (Meteorologische Nutzung des GRAS Sensors)
• Ozone Monitoring (Ozon Überwachung)
• Support to Operational Hydrology and Water Management (operationelle Hydrologie und Wasserwirtschaft)

Weitere Informationen:

• EUMETSAT SAFs (EUMETSAT)
• Satellite Application Facility on Climate Monitoring (DWD)

Satellite Laser Ranging (SLR)

Ein kosmisch-geodätisches Verfahren zur Bestimmung der Satellitenposition, bei dem die Messung der Flugzeit von Lichtimpulsen zur hochpräzisen Bestimmung der Satellitendistanz genutzt wird.

Satellite Laser Ranging dient einerseits zur genauen Bahnbestimmung der Umlaufbahn von geodätischen Satelliten, andererseits zur Punktbestimmung in der Erdmessung und Geodynamik. Daraus können Veränderungen des Erdkörpers und der Erdrotation abgeleitet werden – zusammen mit anderen Verfahren der höheren Geodäsie.

Dabei werden durch eine Bodenstation ultrakurze Laserimpulse mit Hilfe eines Teleskops auf das zu messende Objekt ausgesandt und reflektierte Signale wieder eingefangen. Die Flugzeit Erde-Satellit-Erde sowie die Sende-Epoche des Laserimpulses werden elektronisch registriert und aus der bekannten Lichtgeschwindigkeit kann die genaue Entfernung des Satelliten im Moment der Messung errechnet werden. Moderne SLR-Systeme wie das des GFZ (Abb. unten) gestatten dabei Genauigkeiten von besser als einem Zentimeter, unabhängig von der Entfernung des kosmischen Objekts. Die Satelliten-Laserradarstation Potsdam arbeitet seit Januar 2003 kontinuierlich innerhalb des weltweiten ILRS-Netzwerkes. Das SLR-Verfahren wurde 1964 eingeführt und ist nach wie vor eine der genauesten raumgestützten geodätischen Techniken, wobei die Messgenauigkeit kontinuierlich verbessert wurde.

SLR-Station des GFZ Potsdam Die Satelliten-Laserradarstation Potsdam arbeitet seit Januar 2003 kontinuierlich innerhalb des weltweiten ILRS-Netzwerkes. Die wissenschaftlichen Hauptbeiträge des SLR sind: Überwachung von Erdrotationsparametern (Polbewegung und Tageslänge) Überwachung dreidimensionaler Verformungen der festen Erde (Stationskoordinaten und –geschwindigkeiten), zeitvariable Koordinaten des Geozentrums Statische und zeitvariable Koeffizienten des Erdschwerefeldes Kalibrierung / Validierung von Mikrowellen-Apparaturen auf Satelliten (z.B. GPS Empfänger, Radaraltimeter) Quelle: GFZ

Zur internationalen Abstimmung der Lasermessungen zu Satelliten wurde in den 1990ern der International Laser Ranging Service (abgek. ILRS) gegründet. Der ILRS organisiert und koordiniert die Laserentfernungsmessungen, um globale geodätische Projekte und Satellitenmissionen zu unterstützen. Er entwickelt auch geeignete Standards und Strategien zur Messung und Analyse, um eine hohe, gleich bleibende Qualität der Daten zu sichern.

Die Messungen der SLR-Stationen, von denen es weltweit einige Dutzend gibt, werden rechnerisch zu präzisen Vermessungsnetzen zusammengeschlossen, woraus Koordinaten und Erdrotation im Millimeter-Bereich abgeleitet werden können. Zu den fundamentalen Produkten des ILRS zählen genaue Ephemeriden (Bahnen) der LASER-Satelliten, die Koordinaten und plattentektonischen Änderungen der Observatorien, Variationen des Geozentrums und des Erdschwerefeldes, sowie Fundamentalkonstanten der Physik, des Erdmondes und der Mondbahn.

Diese hohe Genauigkeit setzt allerdings voraus, dass der Satellit mit einem speziellen Reflektor ausgerüstet ist, welcher die von der Erde ausgesendeten Laserimpulse exakt in die Richtung der Bodenstation zurücksendet. Beispielsweise das Potsdamer GeoForschungsZentrum (GFZ) fertigt seit 1998 derartige Laser-Reflektoren (s. u.), die bereits auf einer Vielzahl von Raumflugmissionen zum Einsatz kamen (u. a. CHAMP, GRACE, SWARM oder TerraSAR-X, zukünftig auch auf der ISS). Dabei müssen die von optischen Firmen wie Zeiss Jena hergestellten Prismen höchsten Ansprüchen an die Fertigungsgenauigkeit genügen, um den durch die Geschwindigkeit des Satelliten hervorgerufenen Effekt der Lichtaberration zu korrigieren, der ansonsten zu einer starken Schwächung des Rückkehrsignals führen würde.

Laser-Retro-Reflektor-Array der TSX (TerraSAR-X) und TDX (TanDEM-X) Das Prinzip des Satelliten-Laserradars ist relativ einfach: mittels eines Teleskops werden kurze Laserimpulse in Richtung des Laser-Retroreflektors (LRR) an Bord eines Satelliten abgestrahlt. Ein geringer Teil des Signals wird vom Satelliten reflektiert und vom Teleskop wieder eingefangen. Die Zweiweg-Flugzeit (Erde-Satellit-Erde) wird aus der Empfangs- und Abschusszeit der Pulse an der Station gebildet. Mit der Lichtgeschwindigkeit sowie einiger Korrekturen für den Weg, den das Lichtsignal innerhalb der Erdatmosphäre zurücklegt, kann daraus die exakte Entfernung des Satelliten zur Zeit der Messung abgeleitet werden. Um die Reflektion des Signals über die zum Teil langen Strecken (bis zu 25000 km) zu maximieren, werden besondere Spiegel eingesetzt. Sogenannte Laserretroreflektoren, reflektieren das Licht immer in die Richtung aus der es gekommen ist. Das Prinzip wird auch bei sogenannten "Katzenaugen" für mehr Sicherheit von Radfahrern im Straßenverkehr genutzt. Quelle: GFZ

Das Verfahren erfordert eine Verbindung von Bodenstation und Satellit, die nicht durch Wolken gestört ist. Abhilfe für dieses Problem schaffen Alternativsysteme wie GPS und Mikrowellensysteme, z.B. PRARE.

Vorteil des Laserverfahrens sind die Kleinheit und der robuste Aufbau des Reflektors am Satelliten, welcher vollkommen passiv arbeitet und selbst nach dem Ausfall der aktiven Systeme des Raumflugkörpers noch funktioniert. Durch die Verwendung nur einer einzigen Stationsuhr für Flugzeit und Sende-Epoche wirken sich geringe Zeitfehler wesentlich weniger als beim GNSS-Verfahren auf die Entfernungsbestimmung aus, sodass SLR als externes Verfahren zur Kalibrierung und Validierung von Mikrowellensystemen auf vielen modernen Missionen zum Einsatz kommt und auch nahezu alle GNSS-Navigationssatelliten mit Laser-Reflektoren ausgerüstet sind.

Weitere zukünftige Einsatzgebiete des SLR-Verfahrens liegen im hochpräzisen Zeitvergleich von Atomuhren auf weit voneinander entfernten Stationen sowie in der Bahnverfolgung von Weltraumschrott mit deutlich besserer Genauigkeit, als das mit herkömmlichen Radarverfahren möglich ist. (GFZ)

Satellitenaltimetrie

Satellitengestütztes Radarverfahren zur Erkundung der Meeresoberfläche mit dem Ziel, die Höhe des Meeresspiegels abzuleiten. Dabei werden in Nadirrichtung mit einer Trägerfrequenz im Ku-Band (13,5-13,8 GHz) und mit Wiederholraten von mindestens 1 KHz frequenz-modulierte Impulse von wenigen Nanosekunden Dauer ausgestrahlt. Der Radarimpuls wird bis auf eine von Wind und Seegang abhängige Streuung reflektiert und nach wenigen Millisekunden Laufzeit wieder empfangen. Das Impulsecho wird quantifiziert und einer theoretischen Impulsantwort angepasst.

Ermittelte Parametert:

1. die Laufzeit des Impulses
2. die Neigung der ansteigenden Flanke des Impulsechos und
3. die Energie des Impulsechos.

Aus der halben Laufzeit wird die Höhe des Satelliten über dem Meeresspiegel (H) berechnet (vgl. Abb. unten). Die Neigung der ansteigenden Flanke ist korreliert mit der signifikanten Wellenhöhe und die Energiebilanz des Impulsechos ist proportional zum Rückstreukoeffizienten der Meeresoberfläche. Der Rückstreukoeffizient lässt empirische Rückschlüsse auf den Betrag (nicht die Richtung) der Windgeschwindigkeit zu. Signifikante Wellenhöhe und Windgeschwindigkeit werden direkt für Schiffsroutenberatung und von Wetterdiensten genutzt.

Gleichzeitig kann aus der Position des Satelliten seine Höhe (h) über dem Erdellipsoid berechnet werden. Die Differenz beider Größen ergibt die Höhe des Meeresspiegels über dem Ellipsoid. Diese setzt sich aus der sog. Geoidhöhe (N) - sie repräsentiert eine mittlere, ruhende Meeresoberfläche) und der sog. Meerestopographie (S) zusammen.

Damit kann bei zusätzlicher Kenntnis des Geoids die Meerestopographie S abgeleitet werden. Diese Oberflächenauslenkung ist die einzige physikalische Größe der Meeresoberfläche, die direkt die dreidimensionale, großskalige Strömung widerspiegelt. So dient ihre Kenntnis der Modellierung von Meereströmungen.

Die Höhenmessung durch Radaraltimetrie bedarf zahlreicher Korrekturen, um Messungen zu verschiedenen Zeiten und unter unterschiedlichen Messbedingungen miteinander vergleichen zu können, z.B. wird der Radarimpuls des Altimeters durch die Atmosphäre verzögert.

Schema der Satellitenaltimetrie mit Jason-3

Die Satellitenaltimetrie ist eine Technik, bei der Raumfahrzeuge im Orbit eingesetzt werden, um sehr genaue Messungen der Höhen von Land, Eis und Ozean auf der Erde durchzuführen. Jason-3 trägt ein Radar-Höhenmesssystem, das speziell dafür entwickelt wurde, die Höhe und die Wellen der Meeresoberfläche äußerst genau und präzise zu messen. Jede Sekunde sendet der Jason-3-Höhenmesser Tausende von Radarimpulsen von der Meeresoberfläche ab.

Der Radarimpuls wird bis auf eine von Wind und Seegang abhängige Streuung reflektiert und nach wenigen Millisekunden Laufzeit wieder empfangen. Ein Radiometer misst, wie die Radarwellen durch die Atmosphäre gebremst werden, und drei zusätzliche Instrumente helfen bei der Messung der genauen Umlaufbahn des Satelliten.

Schema der Satellitenaltimetrie mit Jason-3 Quelle: NOAA / NESDIS

Die Bestimmung des Meeresspiegels ist noch aus weiteren Gründen wichtig. Für die Geodäsie ist es von Bedeutung, um die Höhensysteme zu vereinheitlichen. Im Gegensatz zur Topographie der festen Erde unterliegt der Meeresspiegel viel stärker zeitlichen Veränderungen. Mittels Pegelregistrierungen werden diese Schwankungen seit Jahrzehnten an den unterschiedlichen Küsten erfasst. Dabei dienen langjährige Mittelwerte zur Festlegung von Referenzpunkthöhen für nationale Höhensysteme. Es treten aber Widersprüche zwischen den einzelnen Höhensystemen auf. Der Grund für diese Widersprüche liegt darin, dass der mittlere Meeresspiegel nicht mit der einheitlichen globalen Höhenbezugsfläche, dem Geoid, zusammenfällt. Aufgrund von Strömungen, hervorgerufen durch Dichte- und Temperaturunterschiede, kommt es zu Differenzen zwischen dem mittleren Meeresspiegel und dem Geoid. Diese Differenzen werden als Meeresflächentopographie bezeichnet und können Werte von einigen Metern annehmen. Die Meeresflächentopographie gilt daher in Kombination mit dem Geoid als Schlüsselgröße zur Vereinheitlichung der einzelnen Höhensysteme. Außerdem ist die Bestimmung des Meeresspiegels auch für die Ozeanographie und die Klimatologie von Interesse. Aus dessen Variationen lassen sich zum Beispiel wichtige Schlüsse hinsichtlich von Klimaveränderungen ziehen.

Die Topographie der Meresoberfläche variiert mittelfristig insbesondere im Zusammenhang mit Strömungen, besonderen Wetterbedin-gungen und Ereignissen wie El Niño.

Als erste Satellitenmission, deren Hauptzweck die Beobachtung der allgemeinen Zirkulation der Ozeane war, startete 1992 die französisch-US-amerikanische TOPEX/Poseidon-Mission (seit 01/06 beendet). Gleichzeitig betrieb die ESA ihren ERS-1, 1995 folgte ERS-2. Auch bei JASON-1, dem Nachfolger zu TOPEX-Poseidon, ist das wesentliche Messgerät ein Satelliten-Altimeter mit dem kleinräumige und grossräumige Topographie der Meeresoberfläche vermessen wird.

Die Satellitenaltimetrie wird ergänzt durch Messungen des Schwerefeldes von Satelliten und der Erdoberfläche aus. Mit diesen Daten wird das Geoid, eine Äquipotentialfläche, die als Referenz dient, berechnet. Altimeterdaten können darauf bezogen werden und dienen dann als Messung der freien Oberflächenauslenkung des Ozeans.

Weitere Informationen:

• Laboratory for Satellite Altimetry (NOAA, NESDIS)

Satellitenarchäologie

Engl. satellite archaeology, fr. archéologie spatiale; aufkommender Zweig der prospektierenden Archäologie, bei der hochauflösende Satellitensensoren zum Einsatz kommen, die über ihre Empfindlichkeit im thermischen und infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums potentielle Fundstellen bis zu einer Tiefe von ca. 1 Meter anzeigen können. Die von den Satelliten empfangene Strahlung wird in Bilder umgesetzt und diese werden von Archäologen nach feinen Anomalien untersucht, die sich an der Erdoberfläche zeigen können. Landschaftsprägende Elemente wie Boden, Vegetation, Geologie und menschengemachte Strukturen haben spezifische Signaturen, die von Satelliten mit multispektralen Sensoren identifiziert werden können. Die Datenauswertung kann dann ein 3D-Bild der beobachteten Gegend erzeugen. Mit dessen Hilfe können menschengemachte Strukturen sichtbar gemacht werden, die unter der Vegetation und der oberen Bodenschicht vorhanden sind, und die mit bloßem Auge nicht erkennbar wären. Kommerzielle Satelliten haben eine Bodenauflösung zwischen 0,4 m und 90 m, was die Erkennung der meisten alten archäologischen Fundstätten und die damit verbundenen Merkmale z.B. in Gebieten wie Ägypten, Peru, Arabische Halbinsel und Mittelamerika ermöglicht. Archäologen, die mit Satellitenbildern arbeiten, hoffen auf eine weitere Verfeinerung der Auflösung in den nächsten Dekaden, die es ihnen z.B. auch erlaubt, Töpfereischerben unter der Erdoberfläche zu erkennen.
Siehe auch: Archäologie und Fernerkundung

Weitere Informationen:

• Mapping patterns of long-term settlement in Northern Mesopotamia at a large scale (Bjoern H. Menze und Jason A. Ur, PNAS)
• Archäologische Prospektion (BLFD)
• Luftbildarchäologie (archaeopro)
• Flugzeug, Laser, Sonde, Spaten. Fernerkundung und archäologische Feldforschung am Beispiel der frühkeltischen Fürstensitze (Jörg Bofinger, RPS/LAD)
• From Space to Place - An Image Atlas of World Heritage Sites on the ‘In Danger’ List (UNESCO / USGS)

Satellitenastronomie

Bezeichnung für alle astronomischen Beobachtungen, die mit Hilfe von astronomischen Sonden und Satelliten durchgeführt werden.

Satellitenbahn

Siehe Umlaufbahn

Satellitenbahnelemente

Siehe Bahnelemente

Satellitenbild

Syn. Satellitenaufnahme, engl. satellite image, franz. image (de) satellite; Bild (von Ausschnitten) der Erdoberfläche, das von bemannten oder unbemannten Satelliten aus gewonnen wird. Dabei wird zunächst kein Unterschied gemacht, ob es sich um photographische Aufnahmen handelt oder um die Ergebnisse von anderen Aufnahmetechniken der Fernerkundung, soweit diese zu einer bildhaften Darstellung der Erdoberfläche führen. Es kommen weitgehend die gleichen Aufnahmesysteme zum Einsatz, die auch zur Erzeugung von Luftbildern verwendet werden.

Bei Satellitenbildern handelt es sich i.d.R. um Rasterdaten, die aus großer Höhe (mehrere hundert km) häufig in verschiedenen Spektralbereichen erfasst und gewöhnlich digital übertragen werden. Im Gegensatz zu Luftbildern liegen diese Daten somit i.d.R. bereits digital vor und können direkt bearbeitet werden.

Die Bildausschnitte, sog. Szenen, sind oftmals zeilenweise erfasst (ähnlich wie bei einem Scanner) und liegen je nach Satellit in unterschiedlichen Spektralbereichen und Auflösungen vor. Ein Satellitenbild visualisiert Strahlungsmesswerte. Die Auswahl der Licht-"Kanäle" und deren Aufbereitung bestimmen den Farbeindruck.

Erzeugung von Satellitenbildern am Beispiel von Sensoren auf Terra, Landsat und Suomi NPP

Viele Sensoren erfassen Daten bei unterschiedlichen spektralen Wellenlängen. Zum Beispiel erfasst das Band 1 des Landsat-8 Daten bei 0,433-0,453 Mikrometern und das Band 1 des Instruments MODIS Daten bei 0,620-0,670 Mikrometern. Landsat-8 hat insgesamt 11 Bänder, während MODIS 36 Bänder hat, die alle verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums messen. Die Bänder können kombiniert werden, um Bilder der Daten zu erzeugen, die verschiedene Merkmale in der Landschaft zeigen. Häufig werden Datenbilder verwendet, um Merkmale einer untersuchten Region zu unterscheiden oder um ein Untersuchungsgebiet zu bestimmen.

Für ein Echtfarbenbild (rot, blau, grün (RGB)) von Landsat werden die Bänder 4, 3, 2 entsprechend kombiniert; mit der Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) der NASA/NOAA-Partnermission Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) ergibt sich ein Echtfarbenbild aus den Zuordnungen Rot = Band I1, Grün = Band M4, Blau = Band M3. Echtfarbenbilder zeigen die Erde so, wie man sie von oben sehen würde. Andere Kombinationen können jedoch für spezifische wissenschaftliche Anwendungen verwendet werden - von der Hochwasserüberwachung über die Abgrenzung von Ballungsräumen bis hin zur Kartierung der Vegetation. Beispielsweise ist bei VIIRS-Daten die Erstellung eines Falschfarbenbildes (R=M11, G=I2, B=I1) nützlich, um Brandnarben von niedriger Vegetation oder nacktem Boden zu unterscheiden und um überflutete Gebiete freizulegen. Um weitere Bandkombinationen von Landsat zu sehen, sehen Sie sich den Artikel Studio Landsat Band Remix des NASA Scientific Visualization an oder den Artikel Many Hues of London des Earth Observatory. Weitere gängige Bandkombinationen finden Sie im Artikel How to Interpret Common False Color Images des Earth Observatory; der Artikel bietet gängige Bandkombinationen, gibt aber auch Einblicke in die Interpretation der Bilder.

Landsat 8-Ansicht der Gegend um Los Angeles, 13. Mai 2013. - Links die Bänder 2, 3 und 4, rechts Band 7
Brandschäden reflektieren stark im Landsat-Band 7, das Daten im kurzwelligen Infrarotbereich erfasst. Im rechten Bild unten ist sie als rötliche Markierung nicht zu übersehen, während im Standard-RGB-Bild links die Brandschäden gar nicht zu erkennen sind.

Quelle: NASA / NASA Landsat Science

Die Weiterentwicklung der Aufnahme- und Bildverarbeitungstechniken ließ eine Vielzahl von von Satellitenbildarten mit unterschiedlichen Eigenschaften entstehen. Bezüglich ihrer technischen Bildeigenschaften unterscheiden sich Satellitenbilder wie folgt:

• nach der Bodenauflösung
  - hoch auflösende Bilder (z. B. WorldView-3 mit 31 cm Auflösung)
  - gering auflösende Bilder (z. B. Meteosat 11 mit 1 km Auflösung)
• nach der spektralen Auflösung
  - Bilder aus den Spektralkanälen des sichtbaren Lichts
  - Thermalbilder, d.h. Wärmebilder (fernes Infrarot)
  - sonstige Infrarotbilder, z.B. zur Messung der Vegetationsaktivität
  - Radarbilder, Lidarbilder
  - Multispektralbilder (Mischung verschiedener Spektralkanäle)
• nach dem Aufnahmezeitpunkt
  - Monotemporalbilder
  - Multitemporalbilder (Bilddaten verschiedener Aufnahmezeitpunkte)
• nach der Größe des erfassten Erdausschnitts
  - sehr kleine Ausschnitte, oft als Fenster von Satellitenbildszenen
  - Bildszenen (in der Breite eines Aufnahmestreifens des jeweiligen Satelliten)
  - Kombinationen von Bildszenen
  - Halbkugeldarstellungen
  - Erddarstellungen
• nach der Farbwahl
  - Echtfarbenbilder bzw. Bilder mit naturnahen Farben
  - Falschfarbenbilder
• nach dem Angebot der Bildinformation
  - analoge Bilder (gedruckte Bilder auf verschiedenen Medienträgern)
  - digitale Bilder (als Datensätze).

Bildinterpretation

Die Interpretation der Satellitenbilder erfolgt entweder qualitativ durch visuelle Inspektion oder heutzutage in zunehmenden Maße durch objektive und automatische Verfahren. Satellitenbilder müssen weder radiometrisch noch geometrisch rektifiziert sein. Zur leichteren Bildinterpretation werden Satellitenbilder aber kontrastverstärkt, ausschnittsvergrößert oder aus der geometrisch vielfach verzerrten Satellitenperspektive in bestimmte Projektions- oder Kartendarstellungsarten umgerechnet.

Sobald die Daten zu Bildern mit unterschiedlichen Bandkombinationen verarbeitet sind, können sie z. B. bei Entscheidungen über das Ressourcenmanagement oder bei der Bewertung von Katastrophen helfen; die Bilder müssen nur noch interpretiert werden. Es gibt einige Strategien für den Anfang (in Anlehnung an den Beitrag: How to Interpret a Satellite Image des NASA Earth Observatory, dt. Fassung: Wie man ein Satellitenbild interpretiert).

1. Man muss die Massstäbe kennen - es gibt verschiedene Massstäbe, die auf der räumlichen Auflösung des Bildes basieren, und jeder Massstab liefert verschiedene wichtige Merkmale. Wenn man zum Beispiel eine Überschwemmung verfolgt, zeigt eine detaillierte, hochauflösende Ansicht, welche Häuser und Geschäfte von Wasser umgeben sind. Eine großräumige Landschaftsansicht zeigt, welche Teile einer Bezirks oder einer Großstadt überflutet sind und vielleicht auch, woher das Wasser kommt. Eine noch umfassendere Ansicht würde die gesamte Region zeigen - das überflutete Flusssystem oder die Bergketten und Täler, die den Fluss leiten. Eine hemisphärische Ansicht würde die Bewegung der Wettersysteme im Zusammenhang mit den Überschwemmungen zeigen.
2. Man muss nach Mustern, Formen und Texturen Ausschau halten - viele Merkmale sind anhand ihres Musters oder ihrer Form leicht zu erkennen. Zum Beispiel sind landwirtschaftliche Gebiete sehr geometrisch geformt, normalerweise Kreise oder Rechtecke. Gerade Linien sind typischerweise künstlich angelegte Strukturen, wie Straßen oder Kanäle.
3. Farben bestimmen - bei der Verwendung von Farbe zur Unterscheidung von Merkmalen ist es wichtig, die bei der Erstellung des Bildes verwendete Bandkombination zu kennen. Bilder mit echten oder natürlichen Farben sind im Grunde genommen das, was wir mit unseren eigenen Augen sehen würden, wenn wir aus dem Weltraum nach unten blicken. Wasser absorbiert Licht so, dass es typischerweise schwarz oder blau erscheint; Sonnenlicht, das von der Oberfläche reflektiert wird, kann es jedoch grau oder silbern erscheinen lassen. Sedimente können die Farbe des Wassers beeinflussen und es brauner erscheinen lassen, ebenso wie Algen, die es grüner erscheinen lassen. Die Farbe der Vegetation hängt von der Jahreszeit ab: im Frühling und Sommer ist sie typischerweise lebhaft grün; im Herbst kann sie orange, gelb und hellbraun sein, und im Winter kann sie mehr braun erscheinen. Der kahle Boden hat normalerweise eine gewisse Braunfärbung; dies hängt jedoch von der mineralischen Zusammensetzung des Sediments ab. Städtische Gebiete sind typischerweise grau von dem ausgedehnten Beton. Eis und Schnee sind weiß, aber auch Wolken sind weiß. Bei der Verwendung von Farbe zur Identifizierung von Dingen ist es wichtig, die umgebenden Merkmale zu verwenden, um die Dinge in einen Kontext zu setzen.
4. Vorkenntnisse berücksichtigen- das Wissen über das Gebiet, das man beobachtet, hilft bei der Identifizierung dieser Merkmale. Wenn man zum Beispiel weiß, dass das Gebiet vor kurzem von einem Flächenbrand heimgesucht wurde, können Sie möglicherweise feststellen, warum die Vegetation auf dem Bild etwas anders aussieht.

Quantitative Analyse

Unterschiedliche Landbedeckungstypen können leichter unterschieden werden, wenn Bildklassifizierungsalgorithmen verwendet werden. Bei der Bildklassifizierung wird die Spektralinformation jedes einzelnen Pixels verwendet. Ein Programm, das Bildklassifizierungsalgorithmen verwendet, kann die Pixel automatisch in einer so genannten unüberwachten Klassifizierung gruppieren. Der Benutzer kann auch Bereiche mit bekannter Bodenbedeckung angeben, um das Programm zu "trainieren" und diese wie Pixel zu gruppieren; dies wird als überwachte Klassifizierung bezeichnet. Karten oder Bilder können auch in ein geographisches Informationssystem (GIS) integriert werden, und dann kann jedes Pixel mit anderen GIS-Daten, wie z.B. Volkszählungsdaten, verglichen werden. Weitere Informationen über die Integration geowissenschaftlicher Daten in ein GIS findet man am Beipiel der NASA auf der Seite Earthdata GIS.

Satelliten tragen oft auch eine Vielzahl von Sensoren, die biogeophysikalische Parameter messen, wie z.B. die Temperatur der Meeresoberfläche, Stickstoffdioxid oder andere Luftschadstoffe, Winde, Aerosole und Biomasse. Diese Parameter können durch statistische und spektrale Analysetechniken ausgewertet werden.

Data Pathfinders

Um den Einstieg in die anwendungsbasierte Forschung mit Fernerkundungsdaten zu erleichtern, bietet die Webseite Data Pathfinders der NASA einen Leitfaden zur Auswahl von Datenprodukten, der sich auf bestimmte wissenschaftliche Disziplinen und Anwendungsbereiche, wie die oben genannten, konzentriert. Pathfinders bieten direkte Links zu den am häufigsten verwendeten Datensätzen und Datenprodukten aus den geowissenschaftlichen Datensammlungen der NASA und Links zu Tools, die verschiedene Möglichkeiten zur Visualisierung oder Unterteilung der Daten bieten, mit der Option, die Daten in verschiedenen Dateiformaten zu speichern.

Einsatz von Bilddaten

Bilddaten von zivilen Erdbeobachtungssatelliten stellen eine allgemein leicht verfügbare Informationsquelle dar, die ein großes Potenzial für eine großflächige Überwachung von Prozessen in Geosphäre und Atmosphäre birgt. Sie weisen Eigenschaften auf, die keine andere Datenquelle in dieser Form liefern kann:

• Durch unterschiedliche Sensoren erfolgt eine Aufzeichnung in verschiedenen Wellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums. Dabei werden auch solche Wellenlängenbereiche erfasst, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind (z.B. Infrarot).
• Die Fernerkundung ermöglicht eine synoptische Aufnahme großer Flächen.
• Die erfassten Informationen besitzen eine hohe Aktualität (vgl. Wettersatelliten).
• Die Fernerkundung durch Satelliten gestattet eine regelmäßige Wiederholung der Aufnahme eines Gebietes und liefert vergleichbare Daten in konstanter Qualität über einen längeren Zeitraum.
• Die Integration in ein Geoinformationssystem ermöglicht eine vollständig digitale Verarbeitungskette.

Die Informationen, die in Satelliten- und Luftbildern gespeichert sind, lassen sich in vielfältigster Weise nutzen. Entsprechend unterschiedlich sind auch die dabei verfolgten Ziele. Einerseits kann es sich um die Feststellung einfacher Sachverhalte handeln, oft in Kombination mit der Erstellung thematischer Karten. Andererseits liefert die Auswertung von Satelliten- und Luftbildern reichhaltige Beiträge zu komplexen Untersuchungen des Landschaftshaushaltes, zur Analyse sozioökonomischer Strukturen, zur Erfassung landschaftlicher Veränderungen usw. Entsprechend breit gestreut sind die Anwendungsgebiete, die vielfach miteinander verflochten und oft nur schwer gegeneinander abgrenzbar sind. Zu diesen Anwendungsfeldern gehören nach Albertz (2007) Kartographie, Katastophenvorsorge und -management, Geologie und Geomorphologie, Bodenkunde und Altlastenerkundung, Forst- und Landwirtschaft, Tierkunde, regionale Planung, Siedlungen und technische Planungen, Archäologie, Gewässerkunde und Ozeanographie, Meteorologie und Klimaforschung, weitere, hier noch nicht angeführte Bereiche der Geographie, Planetenforschung.

Zugang zu frei verfügbaren Satellitenbildern (Auswahl):

• Satellitendaten - Datenzugang (Datenportale und -dienste des DLR)
• Global Land Cover Facility - Startseite (NASA; UMD)
• Global Visualization Viewer (USGS)
• National Geospatial-Intelligence Agency Raster Roam (NGA)
• Space in Images (ESA)
• Free Satellite Imagery From Space Agencies Around the World (GISGeography.com)
• Kommentierte Satellitenbilder, u.a. von NASA Earth Observatory oder von Copernicus (in deutscher Übersetzung)
• Links zu kostenfreien Erdbeobachtungsdaten
• Liste zu Bezugsquellen im Anhang

Weitere Informationen:

• The Seventh Conference on Image Information Mining: Geospatial Intelligence from Earth Observation (ESA, EUSC, JRC)
• Data Pathfinders (NASA)
• Aus der Luft gegriffen (FAZ 2020)
• How are satellite images different from photographs? (NASA)
• How to Interpret a Satellite Image: Five Tips and Strategies (NASA Earth Observatory)
• Wie man ein Satellitenbild interpretiert: Fünf Tipps und Strategien (NASA Earth Observatory)
• So interpretieren Sie ein Falschfarben-Satellitenbild  (NASA Earth Observatory 2014)
• Satellitendaten visualisieren und analysieren – Erste Schritte mit QGIS (SAPIENS 2022)
• Satellite vs Aerial Imagery: Which To Use And How To Combine Them Remote sensing projects (European Space Imaging)
• Declassified Military Satellite Imagery has Applications in a Wide Variety of Civilian Geospatial Studies (The Lyncean Group of San Diego 2023)
• USGS EROS Archive - Declassified Data - Declassified Satellite Imagery - 1 (UGS)

Satellitenbildkarte

Engl. image map franz. spatiocarte; kartographische Darstellung, bei der wesentliche Informationselemente eines Satellitenbildes unmittelbar in Erscheinung treten. Hierzu können auch mittels Schrägsichtradar aufgenommene Erscheinungen unter der Oberfläche verstanden werden. Satellitenbildkarten unterscheiden sich von den Satellitenbildern durch ihre einer vorgegebenen Kartennetzabbildung entsprechenden geometrischen Eigenschaften, Georeferenzierung, einen Kartenrahmen und Kartenrand sowie geographisches Namensgut (Beschriftung), Kartenzeichen mit Legende und Gitterkreuz. Der koordinatenmäßigen Bestimmbarkeit wird dabei die gleiche Bedeutung beigemessen wie dem relativen Lagebezug von Objekten. Unter bestimmten Umständen kann aus Satellitenbildkarten mehr Information als aus konventionellen Landkarten gewonnen werden.

Zunächst lassen sich Satellitenbildkarten nach dem Sensor der verwendeten Bilddaten gliedern. Ferner können solche, die unter Verwendung von Falschfarben hergestellt werden, und solche, die "naturnah" farbcodiert sind, unterschieden werden. Darüber hinaus kann man bei Multispektralkarten nach der Anzahl und Art der verwendeten Spektralbänder differenzieren. Unter thematischen Satellitenbildkarten werden Themakarten verstanden, bei denen eine Satellitenbildkarte als Basiskarte Verwendung findet. Satellitenbildkarten liegen in Maßstäben ab 1.50.000 vor. Gegenwärtig sind solche Karten beispielsweise in Google Earth zu finden.

Analog gilt die Definition bei Verwendung von Luftbildaufnahmen in Maßstäben ab 1:2.000, die man dann Luftbildkarten nennt.

Satellitenbildszene

Definierter Ausschnitt aus dem kontinuierlichen Aufnahmestreifen eines Satellitenbildscanners (optoelektronisches Abtastsystem). Eine Satellitenbildszene besteht aus einer Anzahl von Zeilen (quer zur Flugbahn des Satelliten aufgenommen oder abgetastet) und jede Zeile aus einer Anzahl von Bildpunkten (Pixel); bei Landsat -TM-Szenen ca. 6.900 Pixel pro Zeile und ca. 5.400 Zeilen pro Szene. Die Szene selbst ist nach der Nummer des "path" (Pfad, Flugstreifen-Nr. der Flugbahn) und der "row" (Reihe, Bildstreifen quer dazu) definiert und zusätzlich durch das Aufnahmedatum. In einem Flugstreifen können meist auch "floating scenes" bestellt werden, d.h. Daten zwischen den Reihen ("row"), weil die Datenaufnahme durch das "Abtasten" der Erdoberfläche kontinuierlich verläuft. Ein einfaches "processing" (Aufbereiten) der Daten enthält eine für die visuelle Bildanalyse ausreichende Geokodierung. Die Bildszene hat die Form eines Rhombus, weil sich während des Überfluges die Erde unter dem Satelliten weiter dreht.

Für die Datenbestellung z.B. bei den "national points of contact" (in Deutschland: DLR) liegen Ortungspläne von "path" und "row" pro Satellitensystem vor sowie eine Angabe über den Bevölkerungsanteil in den einzelnen Szenen. Schwarz-Weiß-Photos (etwa im Postkartenformat), sog. Quicklooks, geben Hinweise auf die Brauchbarkeit einer Aufnahme.

Satellitenbus

Vorgefertigte Grundstruktur aus Metall mit der Versorgungseinheit eines Satelliten, die den Betrieb der eigentlichen Nutzlast auf dieser Plattform ermöglicht. Die Versorgungseinheit besteht aus einem Antriebssytem für die Lage- und Positionsregelung mit zugehörigen Treibstofftanks und einer elektrischen Energiequelle, ferner Schnittstellen zur Trägerrakete und Einheiten zur Telemetrie, Fernsteuerung und Ortung. Zur Nutzlast zählt man aufgabenabhängig die Einrichtungen für die Kommunikation mit der Erde (TV-Satelliten) sowie Kameras und andere wissenschaftliche Instrumente, die vom Kunden individuell in den Bus integriert werden.

Bedeutende Anbieter für Satellitenplattformen sind Boeing, Space System/Loral, Alcatel Alenia Space, Surrey Satellite Technology, OHB, Lockheed Martin und Airbus D&S.

Satellitendaten

Im Sinne des Satellitendatensicherheitsgesetzes sind Satellitendaten Signale eines Sensors oder mehrerer Sensoren eines Orbital- oder Transportsystems und alle daraus abgeleiteten Produkte, unabhängig vom Grad ihrer Verarbeitung und der Art ihrer Speicherung oder Darstellung.

Satellitendaten werden fast immer als Rasterdaten gespeichert. Jede Zahl einer Rasterzelle (Pixel) steht dabei für die Intensität der von der Erdoberfläche reflektierten Strahlung im jeweiligen Spektralbereich. Ein schwarzer Körper zum Beispiel absorbiert viel Licht, sodass die Pixelwerte, die diesen Körper abdecken, im sichtbaren Bereich nur sehr kleine Werte haben.

Satellitendaten werden mit bestimmten Parametern beschrieben, die es erlauben, die richtigen Daten für eine Fragestellung auszuwählen und Daten verschiedener Sensoren miteinander zu vergleichen. Zu den Parametern gehören Auflösung, Bildneigung, also die Abweichung des Betrachtungswinkels vom lotrechten Fußpunkt (engl. off-nadir angle), Sonnenhöhe und Wolkenbedeckung.

Fernerkundung ist mehr als die Aufnahme möglichst detailgetreuer Bilder der Erdoberfläche. Es geht vielmehr um die Gewinnung von Geoinformation aus Satellitendaten für konkrete Anwendungen. Anfänglich wurden Satelliten von den Raumfahrtorganisationen betrieben und vorwiegend für die Wetter- und Klimaforschung und Landnutzungskartierung eingesetzt. Mit der Entwicklung hochauflösender Systeme und Radarsensorik hat sich jedoch ein kommerzieller Markt etabliert, bei dem Firmen Satelliten betreiben und deren Daten vermarkten. Daraus resultiert eine verwirrende Vielfalt sowohl bei den Zugriffswegen zu den Datenanbietern als auch den Kosten der Daten.

Weitere Informationen:

• Passende Satellitendaten finden – Basiswissen Datenportale (SAPIENS 2021)
• Satellitendaten kennenlernen – Basiswissen Fernerkundung, 2 Module (SAPIENS 2021)
• Satellitendaten visualisieren und analysieren – Erste Schritte mit QGIS (SAPIENS 2022)
• Passende Satellitendaten finden – Das Datenportal CODE-DE (SAPIENS 2022)
• Satellitendaten anzeigen und auswerten mit EO Browser und Copernicus Browser (ZSL B.-W.)

Satellitendatensicherheitsgesetz (SatDSiG)

Ein deutsches Bundesgesetz vom 23. November 2007 zur Gewährleistung, dass Erdbeobachtungsdaten deutscher Satelliten bzw. solcher, die von Bodenstationen auf deutschem Boden aus betrieben werden, nicht die Sicherheit der Bundesrepublik Deutschland oder die ihrer Verbündeten gefährden. Als Gefährdungsmaßstab wird zugrunde gelegt, welche Daten bereits weltweit frei verfügbar sind. Anfragen, die darüber hinausgehen, zum Beispiel nach aktuellen hochaufgelösten Satellitenfotos oder Radardaten, muss der Vertreiber kritisch hinterfragen. Im Zweifelsfall hat er eine Genehmigung der zuständigen Behörde einzuholen. Zudem erlaubt das Gesetz die Untersagung der Übernahme von Anbietern solcher Daten, wenn durch die Übernahme nach Einschätzung der zuständigen Behörde wesentliche Sicherheitsinteressen der Bundesrepublik gefährdet wären. Die Überprüfung von Personen in sicherheitsrelevanten Bereichen dieser Unternehmen erfolgt nach dem Sicherheitsüberprüfungsgesetz durch das Bundesamt für Verfassungsschutz.
Durch das Satellitendatensicherheitsgesetz wird ferner Rechtssicherheit für die Unternehmen geschaffen und die Besetzung neuer Geschäftsfelder für die sich entwickelnden Unternehmen im Satellitendatenvertrieb - und damit auch für die wachsende Geodatenindustrie - kalkulierbar gemacht. Damit wird eine wichtige Voraussetzung dafür geschaffen, dass die deutschen Unternehmen Satellitenanwendungen in wirtschaftlich tragfähige Geschäftsmodelle umsetzen und neue Absatzmärkte erschließen können. Ein weiteres Ziel des Gesetzes ist die Wahrung der sicherheits- und außenpolitischen Interessen der Bundesrepublik Deutschland beim Verbreiten und kommerziellen Vermarkten von satellitengestützt erzeugten Erdfernerkundungsdaten - insbesondere auch auf den internationalen Märkten.

Während das Gesetz die Rahmenbedingungen, Anforderungen und Verfahren für die Betreiber der betroffenen Satelliten und Datenanbieter sowie allgemeine Eigenschaften von Erdbeobachtungssatelliten ("Erdfernerkundungssystemen" im Sprachgebrauch des SatDSiG) und der damit erzeugten Daten festlegt, ermöglicht die Festlegung der eher technischen Kriterien und Grenzwerte in einer Verordnung (SatDSiV) eine Anpassung an die technologische Entwicklung und an Veränderungen der sicherheits- und außenpolitischen Gefahren. Deutschland ist das erste Land in Europa, das über eine solche Regelung verfügt.

Weitere Informationen:

• Text des SatDSiG im Wortlaut (BMJ)
• Sicherheitsinteressen in der Erdfernerkundung (DLR COUNTDOWN 1/08)
• Nationale Datensicherheitspolitik für raumgestützte Erdfernerkundungssysteme (BMWi)

Satellitenfernerkundung (SFE)

Fernerkundung der Erdoberfläche oder der Erdatmosphäre mit Hilfe von Sensoren, die sich an Bord von Raumfahrzeugen, d.h. Satelliten, Space Shuttle oder Raumstationen befinden, d.h. typischerweise aus ca. 200 km bis 36.000 km Entfernung. Die Daten und Bilder werden dann meist durch Telemetrie mittels Funkübertragung an eine Bodenstation gesendet.

In den letzten fünf Jahrzehnten hat sich die Satellitenfernerkundung zu einem der effizientesten Instrumente für die Überwachung der Erde auf lokaler, regionaler und globaler Ebene entwickelt. Diese weltraumgestützten Beobachtungen sind zerstörungsfrei und ermöglichen eine schnelle Überwachung der umgebenden Atmosphäre, der darunter liegenden Oberfläche und der Mischschicht der Ozeane. Außerdem können Satelliteninstrumente toxische oder gefährliche Umgebungen beobachten, ohne Menschen oder Geräte zu gefährden. Groß angelegte kontinuierliche Satellitenbeobachtungen ergänzen detaillierte (aber spärliche) Feldbeobachtungen und liefern Messungen von unübertroffenem Umfang und Inhalt für die theoretische Modellierung und Datenassimilation.

Die ersten Satelliten zur Erderkundung waren im militärischen Auftrag unterwegs, bei den Amerikanern zunächst KH 1 (Kürzel für 'key hole', Schlüsselloch) im Jahr 1960 im Rahmen des CORONA-Programms. Die russische wie die amerikanische Seite schickten seitdem hunderte von Spionagesatelliten in den Orbit.

Als erste zivile Missionen gelten 1968 von der NASA in den Orbit gebrachte Wettersatelliten. Seitdem ist eine Vielzahl unterschiedlichster Satelliten und Sensorsysteme im Einsatz.

Die Landoberfläche der Erde ist Lebensraum von derzeit 7,5 Milliarden Menschen. Sie ist ständigen Veränderungen unterworfen, wobei die menschliche Nutzung den dynamischsten Faktor darstellt. Die nachhaltige Nutzung der Ressource Landoberfläche ist von zentraler Bedeutung für unsere Zukunft und erfordert detaillierte Kenntnisse über Zustand und Veränderungen des menschlichen Lebensraums. Die Satellitenfernerkundung bietet die Möglichkeit, Veränderungen der Erdoberfläche kontinuierlich und global zu erfassen und besitzt dadurch ein enormes wissenschaftliches und ökonomisches Potenzial.

Aufgaben und Nutzen

Die Fernerkundung der Ozeanoberflächen dient der Überwachung der Dynamik der Küstenlinien, der Temperatur und des Salzgehalts der Meeresoberfläche, des Ökosystems und der Kohlenstoffbiomasse der Ozeane, der Veränderung des Meeresspiegels, des Seeverkehrs und der Fischerei, der Kartierung der Wasserströmungen und der darunter liegenden Topographie in flachen Gewässern usw.

Die satellitengestützte Fernerkundung der Landflächen leistet einen wichtigen Beitrag zur Erkundung von Bodenschätzen, zur Überwachung von Überschwemmungen und Dürren, der Bodenfeuchtigkeit, Vegetation, Entwaldung, Waldbrände, Überwachung der Landwirtschaft, Stadtplanung usw.

Schließlich profitieren sozialwissenschaftliche Bemühungen zur Untersuchung globaler Krisen (wie der COVID-19-Pandemie) von Satellitenfernerkundungsdatensätzen, die verschiedene zielgerichtete Visualisierungen nutzen, um menschliche Umgebungen zu klassifizieren, und diese Beobachtungen dann mit verschiedenen sozioökonomischen Datensätzen usw. in Beziehung setzen.

Darüber hinaus ist die Satellitenfernerkundung ein wirksames Instrument zur Erfassung globaler Informationen wie

• die Topographie des Planeten,
• atmosphärische Profile von Temperatur, Wasserdampf, Kohlendioxid und anderen Spurengasen,
• die mineralische und chemische Zusammensetzung der Oberfläche und der Atmosphäre,
• Eigenschaften der Kryosphäre wie Schnee, Meereis, Gletscher und Schmelzwasserteiche und
• Teilchen und elektromagnetische Eigenschaften der Thermosphäre, Ionosphäre und Magnetosphäre.

Die Fernerkundung der Erde bringt auch den technologischen Stand der Technik voran, was die Entwicklung von Fernerkundungsmissionen im Weltraum wie Voyager und die Cassini-Huygens-Weltraumforschungsmission unterstützt.

Systeme zur Erdbeobachtung

Die zahlreichen zur Verfügung stehenden Systeme zur Erdbeobachtung aus dem All erlauben z. B. Anwendungen in den Bereichen Atmosphärenforschung, Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Geowissenschaften, Naturgefahren und urbane Räume. Je nach Anwendungsgebiet werden Daten von unterschiedlichen Satellitensystemen genutzt, wobei die optischen Systeme und die Radarsysteme (SAR) die beiden Haupttechnologien der satellitengestützten Erdbeobachtung darstellen. Mit den optischen Multispektralsatelliten des Copernicus-Programms von EU / ESA und des Landsat-Programms von USGS / NASA stehen für die verschiedenen Anwendungsgebiete leistungsfähige Satellitensysteme zur Verfügung, deren Daten weltweit kostenfrei genutzt werden können. In Kombination mit einer Vielzahl weiterer Satellitensysteme ermöglichen sie eine kontinuierliche Erdbeobachtung in unterschiedlichen Maßstäben innerhalb der atmosphärischen Fenster. In diesen Fenstern wird die elektromagnetische Strahlung der Sonne durch die Atmosphäre kaum beeinflusst und kann daher für die optische Auswertung von Fernerkundungsdaten genutzt werden.

Am Anfang jeder fernerkundlichen Fragestellung steht die Auswahl von geeigneten Satellitendaten. Dabei ergeben sich unterschiedliche Optionen sowohl aus der räumlichen und zeitlichen Auflösung der Systeme als auch aus den abbildbaren Eigenschaften der Erdoberfläche, wobei letztere durch das jeweils zum Einsatz kommende fernerkundliche Messprinzip bestimmt werden. In der Regel stellt diese Auswahl einen Kompromiss zwischen räumlicher Auflösung (wenige Zentimeter bis mehrere Kilometer) und damit verbundener zeitlicher Wiederholrate (mehrmals täglich bis monatlich) dar.

Im Bereich der optischen Fernerkundung verfügen räumlich sehr hoch auflösende Systeme (< 2 m) nur über wenige (< 10) spektral breite Kanäle (z. B. Quickbird, WorldView-2). Räumlich schlechter auflösende Systeme (> 10 m) besitzen hingegen deutlich mehr (> 10 bis rund 250) spektral höher auflösende Kanäle (z. B. Sentinel-2, EnMAP). Die Abbildung unten verdeutlicht die Lage der Spektralkanäle wichtiger Aufnahmesysteme. Die zeitliche Auflösung der Systeme kann durch den Einsatz mehrerer baugleicher Satelliten erhöht werden. Beispiele dafür sind die Sentinel-1/2-Systeme mit jeweils zwei Satelliten (A/B), RapidEye mit fünf Satelliten und im Bereich der CubeSats die Planet-Konstellation mit mehr als einhundert Kleinsatelliten.

Neben den optischen Satelliten können auch Satelliten mit Radarsystemen, die mit Wellenlängen im Zentimeterbereich arbeiten (Abb. unten), auf eine 40-jährige Entwicklungsgeschichte zurückblicken. Sie begann 1978 mit Seasat zur Überwachung der Meere. Die Tandemkonstellation der ESA-Satelliten ERS-1 und ERS-2 ermöglichte erstmals die Aufnahme interferometrischer Daten und damit die Erfassung von Bewegungen (Hebungen und Senkungen) der Erdoberfläche im Zentimeterbereich. Eine Fortsetzung fand dieses System u. a. in den deutschen TerraSAR-X- und TanDEM-X-Missionen, wobei letztere die Datengrundlage zur Erzeugung eines hochgenauen weltweiten 3D-Modells der Erdoberfläche geschaffen hat.

Spektralsignaturen Spektralsignatur von Boden, Vegetation und Wasser in hyperspektraler (Linie) und multispektraler (Balken) Auflösung in Bezug auf die Lage und spektrale Auflösung optischer (Sentinel-2, Landsat 8 und EnMAP) und SAR-Systeme (Sentinel-1 und TerraSAR-X). VIS – sichtbares Licht, NIR – nahes Infrarot, SWIR – kurzwelliges Infrarot, MIR – mittleres Infrarot, TIR – thermales Infrarot Quelle: GFZ

Mit dem Copernicus-Programm der EU hat eine neue Ära in der satellitengestützten Erdbeobachtung begonnen. Das Programm wurde 1998 gemeinsam von der Europäischen Kommission und der ESA mit dem Ziel konzipiert, eine kostenfrei zugängliche und leistungsfähige Infrastruktur für die Erdbeobachtung zu schaffen. Das Programm umfasst eine Vielzahl von Satellitensystemen (Sentinel-Missionen) mit unterschiedlichen Schwerpunkten, die alle auf eine hohe zeitliche Wiederholrate ausgerichtet sind. Copernicus hat neben der Bereitstellung von Satellitendaten für umwelt- und sicherheitsrelevante Fragestellungen auch die Verknüpfung dieser Informationen mit anderen Erdbeobachtungen im Rahmen der Copernicus-Dienste zum Ziel, z. B. für die Überwachung der Atmosphäre, der Landoberfläche und der Meeresumwelt, zur Unterstützung des Katastrophen- und Krisenmanagements sowie für Sicherheitsanwendungen. Diese Dienste sollen in Zukunft die Behörden der EU-Mitgliedsstaaten maßgeblich in ihren Monitoring- und Planungsaufgaben sowie darauf aufbauenden Entscheidungsfindungen unterstützen. (GFZ)

Sieben Elemente bildgebender Satellitenfernerkundung Viele Fernerkundungsverfahren bedingen eine Interaktion zwischen einfallender Strahlung und den beobachteten Objekten. Dies kann am Beispiel eines bildgebenden FE-Systems aufgezeigt werden, bei dem die unten angeführten 7 Elemente einbezogen sind. Es bleibt zu beachten, dass FE auch das Aufspüren von emittierter Energie umfasst und auch den Einsatz von nicht bildgebenden Sensoren. Energiequelle oder Beleuchtung (A) Interaktion der Strahlung mit der Atmosphäre (B) Interaktion mit dem Objekt (C) Messung der Energie durch den Sensor (D) Übertragung, Empfang und Verarbeitung der Signale (E) Interpretation und Analyse (F) Anwendung (G) Quelle: Natural Resources Canada

Mehr als ein halbes Jahrhundert nach dem Start des ersten Satelliten hat sich die Fernerkundung des Planeten Erde vom Weltraum aus zu einem hochentwickelten Hilfsmittel entwickelt, das die Grundlagenforschung vorantreibt und die für die Menschheit lebenswichtigen täglichen Aktivitäten unterstützt. Es wurde eine große Anzahl von Satelliteninstrumenten entwickelt und gestartet, die eine riesige Menge an Daten für die unterschiedlichsten Anforderungen geliefert haben.

Die Anzahl der Satelliteninstrumente sowie die Qualität und der Umfang der von den Satelliten gesammelten Informationen werden ständig verbessert. Gleichzeitig zeigen die gesammelten Erfahrungen der Satelliten-Fernerkundungsgemeinschaft die Herausforderungen, die für die künftige Entwicklung zu bewältigen sind. (Dubovik, Oleg et al. 2021)

Vorteile von Satellitenfernerkundung:

• Aktualität der Daten (oft innerhalb von Stunden verfügbar)
• Dokumentation und Überwachung des Ist-Zustandes
• flächendeckende Erfassung großer Gebiete bzw. die gesamte Erde
• Daten mit hohen Wiederholraten, Vergleiche und Zeitreihenanalysen erlaubend
• Erkennen von Veränderungen und ihrer Dynamik
• Beobachtung der Erde in vielen Spektralbereichen (sichtbares Licht, Infrarot, Mikrowellen)
• Qualität der Daten in vielen Einsatzbereichen der von in situ-Daten vergleichbar, z.T. sogar überlegen
• Erkundung ansonsten schwer zugänglicher Regionen der Erde (Polargebiete, Wüsten, Regenwälder, Taiga, Tundra und Ozeane) möglich, Regionen, für die keine oder nur weitmaschige in situ-Netze existieren
• Konsistenz der Satellitenbeobachtungen, da derselbe Sensor den gesamten Globus beobachtet, obgleich dies streng genommen nur für einen einzelnen Satelliten gilt und nicht für eine ganze Flotte gleicher Bauart.

Nachteile der Satellitenfernerkundung gegenüber in situ-Verfahren:

• physikalische Barrieren: elektromagnetische Strahlung kann nicht in das Erdinnere eindringen und - im sichtbaren Spektralbereich und im thermalen Infrarot - auch nicht in mächtige Wolken
• die kurze Lebensdauer von Satelliten, trotz deutlicher Verbesserungen in den vergangenen Jahren
• fehlende oder unzureichende Abstimmung (intercalibration) von Satellitenserien
• teilweises Unterbleiben der Kalibrierung während der Einsatzdauer
• ungeeignete Bodensegmente für experimentelle Satelliten
• Startverzögerungen oder Fehlstarts zum Nachteil von weltweiten Zeitreihen

Weitere Informationen:

• Satellitendaten - Unsere Erde aus der Sicht von Satelliten (DLR Oberpfaffenhofen)
• Satellitenzentrum der Europäischen Union (Europäische Kommission)

Satellitengeodäsie

Eine zu den geodätischen Raumverfahren gehörende, relativ neue und bedeutende Methode der Geodäsie, die als Erkenntnismittel künstliche Erdsatelliten benutzt, und die letztlich die genaue Bestimmung des Geoids zum Ziel hat.

Sie entstand nach 1957, nach dem Start erster Satelliten und kann sowohl zur Vermessung der Erdoberfläche als auch zur Bestimmung von Parametern des Erdschwerefeldes eingesetzt werden. Bei den rein geometrischen Methoden der Satellitengeodäsie dient der Satellit als hochgelegener Ziel- bzw. Messpunkt in einer räumlichen geometrischen Konfiguration, und die Messungen von oder zu den Erdstationen müssen gleichzeitig erfolgen. Bei den halbdynamischen Methoden wird fehlende Gleichzeitigkeit durch ein Modell der Satellitenbahn überbrückt. Bei den dynamischen Methoden der Satellitengeodäsie wird die Satellitenbahn durch ein mathematisch-physikalisches Modell unter Berücksichtigung möglichst sämtlicher auf den Satelliten einwirkenden Kräfte als Raum-Zeit-Funktion beschrieben und dient als oberhalb der Erdoberfläche liegendes Bezugssystem. Mittels verschiedener Messanordnungen kann es der Koordinatenbestimmung (Ortsbestimmung) auf der Erdoberfläche oder beispielsweise auch der Messung von Höhenunterschieden zwischen der Satellitenbahn und der Meeresoberfläche dienen (Satellitenaltimetrie). Da die Satelliten wie Sensoren im Erdschwerefeld wirken, spiegeln ihre Bahnen dessen Parameter wider, so auch die Lage des Massenmittelpunktes der Erde.

Die modernsten und leistungsfähigsten Ortungssysteme für Zwecke der Geodäsie und Navigation sind die aus Satellitenflotten bestehenden Systeme Global Positioning System, Galileo und GLONASS.

Weitere Informationen:

• Einführung in die Satellitengeodäsie (Inst. für Theoretische Geodäsie, Universität Bonn)
• Satellitengeodäsie 2 (M. Rothacher, TU München)
• Forschungsgruppe Satellitengeodäsie (TU München)
• Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik (TU Berlin)
• Satellite Geodesy (Scripps Institution of Oceanography, San Diego)

Satellitengestützter Krisen- und Lagedienst (SKD)

Innerhalb der Fernerkundungsdienste des BKG übernimmt der Satellitengestützte Krisen- und Lagedienst (SKD) wesentliche Aufgaben bei zerstörerischen Naturkatastrophen (z.B. großflächige Hochwasserereignisse), in Krisensituationen, Großveranstaltungen mit Sicherheitsrisiken (z.B. Fußballmeisterschaften) und bei der Bewertung von raumbezogenen Informationen für die gesamte Bundesverwaltung. Der SKD versorgt in diesen Fällen alle Einrichtungen des Bundes nutzerspezifische Lösungen.

Mit dem SKD hat das BKG eine vollkommen neue Infrastruktur eingerichtet, die ab dem 1. Januar 2021 für die gesamte Bundesverwaltung individuelle und schnelle Beratung sowie Produktion und Bereitstellung von Karten- und Lageprodukten anbietet. Auch Landes- und Kommunalverwaltungen können den Dienst im Krisenfall oder generell über Anfragen bei entsprechenden Bundesbehörden nutzen. Die erstellten Produkte werden in Abstimmung mit den jeweiligen Behörden zudem der Öffentlichkeit bereitgestellt.

Die Erstellung von Fernerkundungsprodukten für Bundesbehörden wurde bislang im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wahrgenommen. Seit 2013 profitiert der öffentliche Sektor durch die kurzfristige Beschaffung und Analyse aktueller Geoinformationen. Fernerkundungsdaten können so in Krisenfällen und zur Unterstützung der zivilen und öffentlichen Sicherheit dienen. Weitere Anwendungsfälle für Behörden finden sich in den Bereichen Klima, Umwelt und Wirtschaft.

Der neue Service ermöglicht zeitnahe, präzise und flächendeckende Lageinformationen. So lassen sich aus der Fernerkundung wichtige Informationen für die behördliche Entscheidungsfindung und für die Wahrnehmung der Aufgaben gewinnen. Einen großen Mehrwert bietet dabei die Verknüpfung von Luft- oder Satellitendaten mit anderen Sachinformationen in Karten- und Analyseprodukten.

Die Dienstleistungen des SKD:

• Fachliche Kompetenzen und (technische) Ressourcen, um bedarfsorientierte Beratungen, Verfahren, Produkte und Dienstleistungen für den gesamten Bund bereitzustellen und um Entwicklungen voranzutreiben
• Zentraler und nutzerfreundlicher Zugang zu den BKG-Dienstleistungen
• Möglichkeit zum unkomplizierten Umgang mit Geoinformationen und dadurch für die Nutzer eine schnelle Reaktion auf ad-hoc- und potentielle Ereignisse
• Verlässlicher Partner für Bundeseinrichtungen bei sicherheitsrelevanten und kritischen Herausforderungen; Angebot zu kompetente Fachberatungen und Schulungen
• Deckung der wachsenden Ansprüche nach präzisen und hochaktuellen Geoinformationen für die Bundeseinrichtungen; dazu Bereitstellungvon Nutzer-konformen Produkten und individuellen Lösungen

Die Produkte:

Die Basis für die Produkte des SKD bilden raumbezogene Raster- und Vektordaten (vorrangig amtliche topographische Daten) sowie Fernerkundungsdaten. In Krisen und Notfällen erstellt der SKD ad-hoc Kartenmaterialien (analog und digital) als Entscheidungsgrundlage. Der SKD beschafft aktuelle Datengrundlagen und bietet fernerkundliche Analyseprodukte inklusive kartographischer Aufbereitung ebenso wie aktuelle Lagepläne für verschiedene Einsatzszenarien. Mit seinen Produkten unterstützt der SKD seine Kunden im gesamten Krisenmanagementzyklus.

Hierfür werden nicht nur die topographischen Grundlagendaten des relevanten Gebiets (Darstellung von Orts- bis Weltkarte möglich), sondern viele weitere Informationen aus anderen amtlichen Quellen oder aus Online-Medien verwendet, wie beispielsweise Standorte mit speziellen Notfalleinrichtungen und Verkehrsinformationen. Neben Karten liefert das BKG auch hochaktuelle Bilder, die von Drohnen aus der Luft oder von Satelliten aus dem Weltall aufgenommen werden. Diese Bilder werden in kürzester Zeit bedarfsgerecht von den Experten des BKG nach dem aktuellsten Stand der Technik und der Wissenschaft analysiert und kartographisch aufbereitet, sodass relevante Informationen für die jeweilige Lage sichtbar, verständlich und nützlich für Entscheidungsträger und Einsatzkräfte vor Ort sind. Das BKG stellt die Lagebilder auf Wunsch in gedruckter Form, in digitalen Formaten oder auch als Webanwendung über das Internet zur Verfügung.

Weitere Informationen:

• Satellitengestützter Krisen- und Lagedienst (SKD) (BKG)

Satellitengradiometrie

Beobachtung der Gravitationsgradienten der Erde entlang der Satellitenflugbahn mit Hilfe von satellitengetragenen Gradiometern. Zur vollständigen und hochgenauen Bestimmung des Gravitationsfeldes der Erde sollte eine polnahe Bahn niedriger Flughöhe ausgewählt werden. Probleme bei der Messung werden u.a. durch den Einfluß der Atmosphäre verursacht. Weitere Fehlerquellen bilden Trägheits-beschleunigungen, verursacht durch Drehbewegungen des Satelliten, aber auch Eigengravitation.

Satellitenkommunikation (SatKom)

Die Gesamtheit der Informationsbeziehungen, in die unbemannte Raumflugkörper (Satelliten) integriert sind. In jedem Fall handelt es sich um Konzepte, die auf einer spezifischen Form des Richtfunks basieren, deren Besonderheit die Punkt-zu-Fläche-Verbindungen darstellen. Informationsbeziehungen mit Satelliten bestehen je nach Anwendungsgebiet

• zwischen Bodenleitstellen für Satelliten und allen Arten von Satelliten als Weltraumbetriebsfunk,
• als Bestandteil terrestrischer Telekommunikationsnetze, bei denen Verbindungen über Satelliten von Punkt-zu-Punkt, von Punkt-zu-Multipunkt oder von Punkt-zu-Fläche über einen oder mehrere Satelliten geführt werden,
• als Aussendungen von Satelliten zur Erde für die Informationsgewinnung bei Satelliten für Erderkundung oder -beobachtung.

Die nutzbaren Frequenzbereiche des Satellitenfunks werden von der Internationalen Funkverwaltungskonferenz (WRC - World Radio Conference) festgelegt.

Für Satellitenfunkanwendungen, die als Bestandteil terrestrischer Netze anzusehen sind, sind dies vornehmlich die Bereiche

• von 1,5 bis 1,6 GHz (L-Band) für mobilen Satellitenfunk im Verkehr zwischen Satellit und den mobilen Satellitenfunkstellen,
• von 2 GHz (S-Band) für die Nutzung als Downlink für mobilen Satellitenfunk (MEO- und LEO-Systeme),
• von 4 bis 6 GHz (C-Band) für die Nutzung als Down-/Uplink zwischen den Erdfunkstellen und den Satelliten,
• von 10 bis 18 GHz (Ku-Band) für die Nutzung als Up-/Downlink für Rundfunksatelliten und
• von 20 bis 30 GHz (K-Band) für experimentelle Nutzungen.

Grundsätzlich gilt dabei, dass für die Übertragungsrichtungen zum Satelliten (Uplink) von den verfügbaren Frequenzbereichen immer das höhere Frequenzband genutzt wird, während der Satellit immer in den niedrigen Frequenzbändern der koordinierten Frequenzbereiche sendet (Downlink). Der Grund liegt in den Einflüssen, denen die elektromagnetischen Wellen auf dem Weg zum und vom Satelliten ausgesetzt werden.

Neue Ära beginnt: Europas Antwort auf die Revolution in der Satellitenkommunikation

Als kommerzieller Markt war die Satellitenkommunikation schon immer einem beständigen Wandel unterworfen. In den vergangenen fünf bis sieben Jahren jedoch erlebte sie gleich mehrere Revolutionen, die sicher geglaubte Geschäftsmodelle herausfordern: den Trend hin zu vollelektrischen Satelliten, die Entwicklung hin zu „Mega“-Konstellationen aus Tausenden von Satelliten und zu einer vollständig neuen Generation von standardisierten Satelliten im geostationären Orbit und last but not least das Aufkommen neuer Firmen, Finanzierungsquellen und Geschäftsmodellen – auch unter „New Space“ bekannt. Besonders hervor sticht hier der Start der Satellitenkonstellation „Starlink“ mit einer Falcon-9-Trägerrakete der US-amerikanischen Firma SpaceX im November 2019: Es war der zweite Start von jeweils 60 dieser Satelliten in einem Jahr – damit sind jetzt 120 Exemplare im Orbit. Zum Vergleich: Mit diesen beiden Falcon-9-Raketen wurden mehr Satelliten als im gesamten Jahr 2013 gestartet. Bemerkenswert ist auch der SpaceX-„Tweet“ vor dem Start, in dem der Ausfall von Satelliten billigend in Kauf genommen wird – ein Tabubruch und Paradigmenwechsel in der Raumfahrt.

Während bisher Satelliten aufwändig getestet werden mussten, um die hohen Investitionskosten zu rechtfertigen, setzt die kommerzielle Raumfahrt zunehmend auf extreme Kostensenkung durch Serienproduktion und vereinfachte Tests. Einen Ausfall nimmt man in Kauf, weil das System insgesamt über ausreichende Redundanz verfügt und der einzelne Satellit sich deutlich schneller und günstiger herstellen lässt. SpaceX ist dabei nur ein Beispiel für einen Trend, der seinen Ursprung vor allem in den USA hat und längst nicht mehr nur die Satellitenkommunikation betrifft. Eine Entwicklung, die die Industrie und die Agenturen mit ihren Programmstrukturen herausfordert. Die europäische Antwort von Space19+ ist ein neu gestaltetes Programm: ARTES 4.0. Drei Programmlinien mit flexiblen Fördermechanismen werden durch drei inhaltlich-strategische ergänzt und durch die bewährte Planungs- und Studienlinie unterstützt. Deutschland hat bei Space19+ die Satellitenkommunikationsprogramme mit insgesamt 329 Millionen Euro gezeichnet und ist mit 20,7 Prozent stärkster Beitragszahler in diesem Bereich.

Aus der Nische in den „Mainstream“ der Kommunikation

Die Satellitenkommunikation hat mit der Ausstrahlung von TV-Programmen und Breitbandkommunikation ein etabliertes, kommerzielles Geschäft. Dabei bleiben aber die Datendienste per Satellit oft auf Fälle beschränkt, die nicht oder unzureichend durch terrestrische Lösungen bedient werden können, wie Flugzeuge und Schiffe auf hoher See. Bei der terrestrischen Breitbandversorgung hingegen spielt der Satellit häufig eine untergeordnete Rolle. An der Schwelle des digitalen Zeitalters bietet sich nun für die Satellitenkommunikation die Chance, aus dieser Nische herauszutreten. Die nächste (fünfte) Generation des Mobilfunkstandards 5G wird ein „Netz aus Netzen“, und hier können Satelliten einen wesentlichen Beitrag leisten. Die Nachfrage nach Datenkapazität wird auch für Satelliten ansteigen, während die Verfügbarkeit von Radiofrequenzen als eine der wichtigen Ressourcen der Satellitenbetreiber begrenzt bleibt. Der logische Schritt ist daher die Nutzung auch von optischen Signalen für die Satellitenkommunikation – eine Technologie, die bereits heute in den terrestrischen Netzen Terabit-Kommunikation ermöglicht. Mit der zunehmenden Digitalisierung und der Vernetzung der Wirtschaft, der Bevölkerung und der staatlichen Akteure wird auch der Schutz der Kommunikationsinfrastruktur unabdingbar. Auch hier sind robuste Kommunikationslösungen gefragt, die eine funktionierende Gesellschaft sicherstellen.

Quelle: ESA/DLR 2020

Der Vorteil heutiger Satellitenkommunikation besteht in der fast globalen Signalabdeckung durch geostationäre Satelliten. Diese Satelliten "stehen" dabei kontinuierlich über einem bestimmten Punkt der Erde. Sie liefern Rundfunk- und Fernsehprogramme sowie multimediale Dienste in alle Welt. Neue Entwicklungen wie HDTV und 3DTV eröffnen Chancen für neue Märkte. Geostationäre Kommunikationssatelliten werden auch in Zukunft in dünn besiedelten Gebieten die beherrschende Infrastruktur für die großflächige Verteilung von Informationen bleiben. Darüber hinaus können sie die erdgebundenen Technologien in den Bereichen Multimedia, mobile Kommunikation und mobiles Internet ergänzen.

Bei Naturkatastrophen und auch bei Missionen zur Friedenssicherung kommt der Satellitenkommunikation eine immer wichtigere logistische Funktion zu. Ihre Daten- und Kommunikationsverbindungen sind in Situationen, in denen keine terrestrische Infrastruktur besteht oder diese zerstört wurde, unverzichtbar.

Doch die Satellitenkommunikation unterstützt nicht nur wichtige gesellschaftliche und hoheitliche Aufgaben, sie ist auch in wirtschaftlicher Hinsicht von Bedeutung. Betrachtet man die gesamte Wertschöpfungskette so ist die Satellitenkommunikation der mit Abstand kommerziell erfolgreichste Raumfahrtsektor. Durch eine gezielte Förderpolitik des Bundes hat die deutsche Industrie inzwischen weltweit Marktanteile erobern können.

Weitere Informationen:

• Satellitenkommunikation (DLR)

Satellitenkonstellation

Eine Anordnung von Satelliten, die einem gemeinsamen Ziel dienen. Eine Satellitenkonstellation, bei denen die Satelliten mit einem konstanten Abstand in dieselbe Richtung fliegen, wird als Satellitenformation bezeichnet. Beispiele sind die Tandem-Mission von TerraSAR-X und TanDEM-X und der A-Train der NASA. In vielen Fällen wird eine Satellitenkonstellation zur globalen Abdeckung eines Dienstes (z. B. Satellitennavigation, Satellitenkommunikation und andere) genutzt. Eine globale Abdeckung bedeutet dabei, dass die Ausleuchtungszonen der Satelliten die Erdoberfläche komplett abdecken, so dass jederzeit an jedem Ort auf der Erde ein Satellit erreichbar ist (jedoch noch abhängig von den gegebenen lokalen Bedingungen).

Die Herausforderung beim Design einer Konstellation besteht in der Auswahl der entsprechenden Parameter. Dabei können die verschiedenen Orbitparameter, wie Orbithöhe, -form, Exzentrizität, Inklination usw., für die Satelliten einer Konstellation unterschiedlich sein, was zur Folge hat, dass die geometrische Komplexität der Konstellation ansteigt.

LEO-Konstellationen
Diese Art von Satellitenkonstellationen ist für niedrige Erdumlaufbahnen gedacht. Hintergrund ist die steigende Strahlungsbelastung, die mit zunehmender Orbithöhe auf den Satelliten einwirkt. Dies erhöht die Entwicklungs- und Produktionskosten und/oder verringert die Lebensdauer eines Satelliten oder einer Satellitenkonstellation. Die zwei bekanntesten Konstellationen mit kreisförmigen Orbits sind die Walker- und die polare Satellitenkonstellation.

Die Walker-Konstellation beschreibt die Verteilung der Satelliten in den verschiedenen kreisförmigen Orbits. Die Orbits besitzen dabei alle die gleiche Bahnneigung (Inklination) relativ zur Referenzebene. Typischerweise ist die Referenzebene die Äquator-Ebene.
Eine polare Konstellation zeichnet sich durch einen Inklinationswinkel von ungefähr 90° aus, d.h. die Satelliten der Konstellation überqueren die Polkappen. Eine Walker Delta Pattern Constellation mit einer Inklination von annähernd 90° ist demzufolge eine polare Konstellation. Hierdurch wird eine Abdeckung der polaren Gebiete erreicht, die jedoch aus kommerzieller Sicht eher unbedeutend sind (zu geringe Besiedelung). Für wissenschaftliche Forschungsmissionen zu den Polkappen sind solche Kommunikationssysteme jedoch von hohem Interesse.

Hochelliptische Konstellationen
Eine Molnija-Konstellation zeichnet sich durch die Verwendung des Orbittyps Molnija-Orbit (hochelliptischer Orbit) aus. Ein Molnija-Orbit besitzt den Vorteil, dass ein Satellit eine relativ lange Zeit einen Service unterhalb des Gebietes des Apogäums anbieten kann. Dieser Typ wurde für russische Kommunikationssatelliten verwendet, da die Sendeleistung von geostationären Satelliten für die nördlichen Breiten Russlands zu groß wäre und eine Kommunikationsverbindung zu einem Satelliten einer polaren Konstellation zu kurzzeitig ist bzw. zu viele Satelliten benötigen würde. Ein Beispiel einer solchen Konstellation ist das Satellite Data System (SDS) (siehe Abbildung rechts) der Streitkräfte der Vereinigten Staaten, das seit 1976 beginnend mit SDS-1 durch diese verwendet wird.

MEO-Satellitenkonstellationen
MEO-Konstellationen werden vorzugsweise von Navigationssatellitensystemen genutzt. Aufgrund der Höhe werden weniger Satelliten als im LEO, dafür aber eine höhere Sendeleistung benötigt. Des Weiteren befinden sich diese Systeme im Van-Allen-Gürtel, was zur Folge hat, dass diese für eine höhere Strahlendosis ausgelegt werden müssen.

Geostationäre Satellitenkonstellationen
Der Vorteil an der Stationierung einer Satellitenkonstellation im GEO ist die minimale Satellitenanzahl, die zu einer globalen Serviceabdeckung benötigt wird. Theoretisch wären maximal zwei Satelliten notwendig, um alle Orte auf der Erde erreichen zu können (wenn die Erde eine perfekte und glatte Kugel wäre). Praktisch allerdings ist an den Schnittstellen wie auch in hohen Breiten eine Erreichbarkeit nicht gewährleistet ist, aufgrund der örtlichen Gegebenheiten wie Hügel, Berge, Gebäude und andere Hindernisse. Auch spielt die Sendeleistung eine wesentliche Rolle, so dass die russischen Kommunikationssatelliten keine GEO-Stationierung, sondern einen Molnija-Orbit nutzten. Aus diesem Grund besitzen GEO-Konstellationen mindestens drei Satelliten (siehe Abbildung). Die NASA nutzt solch einen Konstellationstyp zur Unterstützung ihrer Raumfahrtmissionen im LEO. Diese Konstellation ist als TDRS-System (engl.: Tracking and Data Relay Satellite System) bekannt.

Satellitenkonstellationen finden in verschiedenen Bereichen ihre Anwendung, wie z. B.:

• Audio-Kommunikation: Globalstar, Inmarsat, Iridium
• Daten-Kommunikation: Orbcomm
• Satellitennavigation: GPS, GLONASS, COMPASS, Galileo
• Fernerkundung: Disaster Monitoring Constellation, RapidEye

Satellitenmeteorologie

Zweig der Meteorologie, der sich mit der Entwicklung und Nutzung qualitativer und quantitativer Methoden zur Auswertung von Satellitenbildern und anderer Produkte satellitengetragener Sensoren in Hinblick auf eine Anwendung im Bereich der Wetteranalyse und Wettervorhersage befasst. Es geht dabei um die Fernerkundung von Parametern der Atmosphäre und der Erdoberfläche, die für meteorologische Prozesse und damit auch für das Klima wichtig sind.

Bei der Satellitenmeteorologie wird Strahlung verwendet, deren Wellenlängen sich um einen Faktor von über 1 Million unterscheiden. Auf anschauliche Dimensionen übertragen entspricht das einem Unterschied zwischen 1 mm und 1 km.

Die eigentlichen Messdaten der Radiometer auf den Satelliten sind Graustufen von jedem Kanal des Sensors (entsprechend einer Wellelänge), die zu Bildern zusammengesetzt werden. Diese georeferenzierten Bilder enthalten bereits interessante, auswertbare meteorologische Informationen, und ihre zeitliche Änderung erlaubt atmosphärische Strömungsfelder (Winde), Wetteränderungen oder Transportvorgänge zu erkennen. Gewöhnlich werden aber die Ergebnisse mehrerer Kanäle weiterverarbeitet und zu detaillierter meteorologischer Information zusammengefügt.

Die ersten Starts künstlicher Satelliten, die mit Sputnik am 4. Oktober 1957 von der Sowjetunion und mit Explorer I am 2. Januar 1958 von den USA begannen, läuteten eine neue Ära der Erdbeobachtung ein. Wenige Jahre später, am 1. April 1960, wurde der erste meteorologische Satellit, TIROS-1, gestartet und lieferte erstmals Bilder von der Verteilung der Wolken, von denen man bisher nicht zu träumen wagte. Obwohl der Satellit nur 78 Tage lang in Betrieb war, waren die Meteorologen weltweit begeistert von den Bildern der Erde und ihrer Wolkendecke.

So begann die Satellitenrevolution, die die Art und Weise, wie die Menschen den Planeten beobachteten, für immer verändern sollte. Diese Fortschritte in der Computer- und Weltraumtechnologie stimulierten die Schaffung der WMO World Weather Watch und schließlich des WMO Global Satellite Observing System. Das Globale Satellitenbeobachtungssystem hat einen beispiellosen Erfolg, indem es die Länder der Welt zusammengebracht hat, um wissenschaftlich zusammenzuarbeiten und die Art und Weise, wie Meteorologen den Planeten und die Atmosphäre untersuchen, zu verändern.

Inzwischen hat die Zahl der Satelliten, die zu dem System beitragen, erheblich zugenommen. Jetzt liefert eine Flotte von Satelliten Daten für verschiedene Nutzergemeinschaften im Bereich der Meteorologie, Ozeanographie und des Klimas.

WMO Global Satellite Observing System (2021) Derzeitiger weltraumgestützter Teil des globalen Beobachtungssystems der WMO sowie zusätzliche Weltraumwetter- und Umweltsatelliten. NESDIS IIAD arbeitet mit vielen internationalen Koordinierungsorganisationen zusammen, um sicherzustellen, dass die weltweiten Investitionen in Satelliten- und In-situ-Beobachtungen interoperabel sind und so effizient wie möglich erfolgen. Quelle: NOAA/NESDIS (2021)

Vorteile der satellitengestützten Meteorologie:

• Möglichkeit zur Beobachtung von meteorologisch relevanten Objekten, die meist nicht direkt zugänglich sind, wie Wolken, Staubwolken oder Spurengaskonzentrationen in der Stratosphäre.
• Beobachtung der Erdoberfläche und der darüber befindlichen Atmosphäre in Gebieten, wo meteorologische Untersuchungen vom Boden aus schwierig sind und selten durchgeführt werden (über zwei Drittel der Erdoberfläche sind mit Ozeanen bedeckt oder z.B. in Wüsten und Polargebieten schwer zugänglich). Die bodengestützten Beobachtungen sind zudem eher punktuell oder linienhaft (Schifffahrtsrouten) und nicht flächendeckend.
• Mit nur einem Instrument (zumindest gilt dies für die polarumlaufenden Satelliten) oder mit identischen Instrumenten auf verschiedenen Satelliten kann die ganze Erde bzw. ihre Lufthülle untersucht werden, wodurch Fehler durch unterschiedliche Messgeräte an verschiedenen Orten vermieden werden.
• Zeitgleiche Messung unterschiedlicher Parameter für einzelne Orte durch den satellitengestützten Einsatz verschiedener Sensoren.
• Relativ kontinuierliche Beobachtung in hoher zeitlicher Dichte. Abhängig von der Umlaufbahn wird dieselbe Größe für denselben Ort mit Abständen von fünf Minuten bis hin zu einigen Tagen gemessen.
• In Verbindung mit anderen Daten wie SYNOP-, Radiosonden-, Niederschlagsradarbeobachtungen oder Blitzortungsdaten und der Betrachtung von Bildfolgen lassen sich Aussagen über die kurzfristige Wetterentwicklung der nächsten 1-2 Stunden machen.
• Für die numerische Wettervorhersage spielen Satellitendaten ebenfalls eine wichtige Rolle. Da auch für Wettervorhersagen mit Computermodellem möglichst viele Ausgangsdaten benötigt werden, ergänzen die Satellitendaten die Bodenbeobachtungen und Radiosondenaufstiege, z.B. mit Windvektoren. Zu nennen sind hier ausdrücklich auch die sondierenden Missionen auf den polnah umlaufenden Satelliten, die Vertikalprofile diverser meteorologischer Größen abzuleiten helfen. Die Einbeziehung dieser Daten in die numerische Wettervorhersage hat zu einer deutlichen Qualitätssteigerung geführt.
• Werden mehrere Spektralkanäle z.B. des METEOSAT zu einer farbigen Darstellung kombiniert, können je nach Kombination verschiedene meteorologische Erscheinungen farbig herausgehoben werden.
• Aus der Verlagerung von Wolken- und Feuchtestrukturen zwischen aufeinander folgenden Bildern können Windvektoren (Stärke, Richtung) abgeleitet werden, die neben anderen Parametern Eingang in die numerische Wettervorhersage (NWV) finden und dort zu einer Qualitätssteigerung führen.
• Im infraroten Spektralbereich (IR) misst der Satellit die Wärmestrahlung der Erde und der Wolken. Damit lassen sich Temperaturen der Meeresoberflächen und Wolkenoberflächen bestimmen. Aus der Temperatur der Wolkenoberfläche kann man wiederum auf die Höhe der Wolke schließen. Außerdem lassen sich Bedeckungsgrad und Art der Wolken bestimmen. Aus den beiden Wasserdampfkanälen des MSG kann der Feuchtegehalt der Atmosphäre in zwei Höhenbereichen ermittelt werden.
• Satelliten und Sensoren, die ihre Messaufgabe wegen ihres Alters nicht mehr erfüllen, werden i.d.R. durch adäquate neue Satelliten ersetzt. Dies ermöglicht langfristige Messungen über viele Jahre hinweg und damit die Überwachung des Klimas und die Entdeckung von Änderungen und Trends.
• Ein zusätzlicher positiver Aspekt für Wetterbeobachter besteht darin, dass von geostationären Wettersatelliten ein großes Gebiet der Erde auf einen Blick erfasst wird, großräumige meteorologische Strukturen und Prozesse also in ihrem Zusammenhang beobachtet werden können. Dies gilt z.B. für die Erkennung der Wolkenspiralen von Zyklonen, die von Satelliten aus vollständig als Wetterfronten erfasst werden können.
• Besonderen Informationsgewinn bringt die Satellitenmeteorologie der Südhalbkugel, da dort aufgrund der dominierenden Fläche der Ozeane, aber auch wegen der noch ausbaufähigen Infrastruktur nur relativ geringen Mengen konventioneller Beobachtungsdaten zur Verfügung stehen. Inzwischen ist die Vorhersagequalität auf beiden Hemisphären nahezu gleich.
• Die Bilder, die z.B. von MSG alle 15 Minuten aufgenommen werden, lassen sich zu Zeitrafferaufnahmen zusammensetzen. Diese zeigen eindrucksvoll die Entwicklung von Wettersystemen und sind für die Wetterüberwachnung notwendig (z.B. Erkennung von neu entstehenden Tiefdruckgebieten, Gewitterentwicklungen oder zur Überwachung von tropischen Stürmen). Außerdem werden solche Filme im Fernsehen zur Verdeutlichung des aktuellen Wetters gezeigt.
• Wettersatelliten dienen der Überwachung und Vorhersage gefährlicher Wetterereignisse, tragen zum Krisenmanagement und zur Risikoreduzierung gefährlicher Naturereignisse bei, spielen eine wichtige Rolle bei Vorhersagen für das Verkehrswesen, wobei insbesondere die Luftfahrt und Seeschifffahrt hervorzuheben sind, aber auch in Bereichen wie Land- und Forstwirtschaft, Energiewirtschaft, Tourismus und Freizeit.
• Es entstehen relativ geringe Kosten für die einzelnen Messungen, verglichen mit bodengebundenen Messungen für größere Gebiete und dies trotz erheblicher Kosten für Entwicklung und Bau weltraumtauglicher Sensoren und deren Transport in den jeweiligen Orbit.
• Die Satellitenmeteorologie erfasst nicht nur Atmosphärenparameter wie Wolken und die für das Klima wichtige Strahlungsbilanz der Erde als Ganzes, sondern auch die für meteorologische Prozesse wichtige Größen am Unterrand der Atmosphäre wie die Bodentemperatur oder die Verteilung von Eis und Schnee. Neben Informationen für Wetter und Klima im engeren Sinne liefern Satelliten auch wichtige Umweltdaten. So wird die raumzeitliche Verteilung von Wolken im Hinblick auf die Solarenergienutzung ausgewertet. Ferner können von Satelliten aus Brandherde in Wald und Steppe geortet, Überschwemmungsgebiete erkannt, Stadt- und Waldgebiete vermessen und das Grün der Vegetation als Indikator für deren Zustand bestimmt werden.

Probleme der satellitengestützten Meteorologie:

• Manche meteorologische Größen können nur ungenau, weitere nur indirekt bestimmt werden.
• Wie bei jeder Fernerkundung muss die gemessene Information - bei der Satellitenmeteorologie ist dies immer eine Strahlungsgröße - auf die eigentlich interessierende Ursache zurückgeführt werden (Problematik der 'Invertierung'). Die Verknüpfung der am Satelliten gemessene Strahlungsinformation mit den verursachenden meteorologischen oder geophysikalischen Eigenschaften ist i.A. nicht eindeutig. Die 'Rückwärtsrechnung' oder 'Invertierung' ist immer mehr oder weniger unsicher und fehlerbehaftet, da unterschiedliche Kombinationen von Atmosphären- und Bodeneigenschaften das gleiche Signal am Satelliten ergeben können oder zumindest Signale, die sich im Rahmen der Messgenauigkeit nicht unterscheiden lassen. Man behilft dabei z.B. durch die Nutzung anderer Spektralbereiche oder bei uneindeutigen Mischpixeln durch die Nutzung der Zusatzinformation von Pixeln mit eindeutigen Verhältnissen. Ferner werden Invertierungsalgorithmen (Retrieval Algorithms) entwickelt, um aus den gemessenen Strahlungswerten die gesuchten Größen abzuleiten (vgl. Köpke/Sachweh 2012).
• Möglichkeit einer ungenauen oder falschen Kalibrierung (wie auch bei anderen nicht-meteorologischen oder/und satellitenbasierten Sensoren)

Siehe auch die Stichworte Meteorologie und Fernerkundung, Wettersatellit, Wolken und Fernerkundung oder die Bezeichnungen der einzelnen Wettersatelliten (z.B. Meteosat, NOAA-12 etc.), sowie das Printmedium von Köpke/Sachweh 2012

Weitere Informationen:

• AG Satellitenmeteorologie - u.a. aktuelle Bildsequenzen des Meteosat (FU Berlin)
• Weltweites Online-Training für Satelliten-Meteorologie (ZAMG)
• Satellitenmeteorologie Teil 1, Satellitenmeteorologie Teil 2 (DWD)
• Aktuelle RGB-Komposits inklusive Erläuterungen (EUMETSAT)
• Satellitenbilder global / regional (DWD)
• Wettersatelliten (DWD)
• List of all satellites (WMO)

Satellitenmission

Engl. satellite mission; in der Raumfahrt der gesamte Lebenszyklus von Konzeption, Planung, Bau, dem eigentlichen Flug eines Satelliten bis zu seiner Ausserdienststellung bzw. dem Ausfall wichtiger Bordsysteme oder einer Havarie und dem Wiedereintritt und ggf. Verglühen in der Erdatmosphäre, sowie die Auswertung der gewonnenen Daten.
Ein typisches Satelliten- oder allgemein Raumfahrtsystem besteht aus drei Systemsegmenten, die entsprechend dem Missionziel aufeinander abgestimmt werden:

• Das Raumsegment beinhaltet das Raumfahrzeug (Satellit) mit seiner Nutzlast, das sich auf einer Umlaufbahn befindet.
• Das Transfersegment dient dem Transport des Satelliten mit dessen Nutzlast in den Weltraum durch einen Träger, typischerweise eine Rakete.
• Das Bodensegment dient zur Steuerung und Überwachung des Satelliten und seiner Nutzlast sowie zur Verteilung und Verarbeitung der Nutzlastdaten.

Die drei Systemsegmente können weiter in in sogenannte Systemelemente untergliedert werden (s. Abb).

Strukturierung eines Raumfahrtsystems Strukturierung eines Raumfahrtsystems in Systemelemente am Beispiel des deutschen Radar-Fernerkundungssystelliten TerraSAR-X (SAR = Synthetic Aperture Radar, LCT = Laser Communication Terminal, GPS = Global Positioning System) Quelle: HBN

Weitere Informationen:

• The CEOS Database - Instruments, Measurements and Datasets (CEOS, ESA)
• Missions Finder (NASA)

Satellitennavigation

Teilgebiet der Radionavigation mithilfe künstlicher Erdsatelliten. Im wesentlichen sind zwei Konzepte im Gebrauch. Bei der Nutzung des Doppler-Effektes wird die Frequenzverschiebung der Satellitensignale im Bodenempfänger gemessen und in Entfernungsdifferenzen umgerechnet, aus denen bei bekannten Satellitenpositionen die Nutzerposition abgeleitet werden kann. Dieses Konzept wurde im Navy Navigation Satellite System (Transit) von 1967 bis 1996 sehr erfolgreich verwendet. Ein aktuelles auf dem Dopplerprinzip beruhendes System ist DORIS. Ein sehr leistungsfähiges und konzeptionell einfaches Verfahren, das die Verfügbarkeit hoch präziser Uhren im Satelliten voraussetzt, beruht auf der Messung der Zeitdifferenz zwischen ausgesandten und empfangenen Signalen und der daraus abgeleiteten Entfernungen. Ein Zwei-Wege-Verfahren, bei dem die Bodenstationen die Signale zum Satelliten zurücksenden, ist PRARE.

Für operationelle Systeme ohne Beschränkung der Nutzeranzahl wird ein Ein-Weg-Verfahren gewählt, bei dem die Signale nur vom Satelliten ausgesandt werden. Hierzu gehören das NAVSTAR GPS und GLONASS sowie künftig das europäische Galileo. Ein viertes globales und mit GPS vergleichbares Satellitennavigationssystem entwickelt China mit Beidou (alt. Compass). Die Besonderheit hier liegt darin, dass die Satelliten in einer üblichen mittleren Bahnhöhe von ca. 20.000 Kilometern über der Erdoberfläche durch geostationäre Satelliten in einer Bahnhöhe von ca. 36.000 Kilometern ergänzt werden. Zusätzlich bietet BeiDou sogenannte IGSO-Satelliten mit einer Bahn, die sich in ihrer Projektion auf die Erdoberfläche als 8 darstellt.

Vergleich der Orbits verschiedener Navigationssatelliten Vergleich der Orbits von GPS, GLONASS, Galileo und COMPASS (mittlere Erdumlaufbahnen) mit der Internationalen Raumstation, dem Hubble Space Telescope, geostationären Orbits und Friedhofsorbits und der Größe der Erde. Für dieses Diagramm wurde der dreidimensionale Aspekt der Bahnen abgeflacht. So blickt man beispielsweise auf den Nordpol hinunter, wodurch die Bahndarstellungen äquatorial erscheinen. Während dies für geostationäre Bahnen zutrifft, befinden sich andere aufgelistete Bahnen tatsächlich in signifikanten Neigungen. Die Neigung der Iridiumbahnen beträgt 86,4°, was nahezu senkrecht zur dargestellten Ebene liegt. Wenn man von diesem Zenit aus auf den Nordpol hinunterblickt, erscheint eine polare Umlaufbahn mit 90° Neigung tatsächlich als gerade Linie. Quelle: Wikipedia

Seit vielen Jahren wird GPS erfolgreich für zahlreiche Anwendungen eingesetzt. Diese reichen von Navigationsaufgaben, z. B. der Fahrzeugnavigation mit einem Genauigkeitsanspruch von einigen Metern bis zur millimetergenauen Vermessung von geophysikalischen Veränderungsprozessen der Erdoberfläche. Aus der Einbeziehung weiterer Satellitensysteme ergeben sich nun sowohl Chancen als auch neue Probleme, die es zu lösen gilt. Durch Nutzung von bis zu vier Satellitensystemen erhöht sich die Zahl der beobachtbaren Satelliten an einem bestimmten Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt von 10 bis 12 auf über 40. In schwierigen Empfangssituationen, z. B. in den Straßenschluchten der Innenstädte oder im Wald verbessert sich damit die Verfügbarkeit der Signale deutlich. Verschiedene Systeme unabhängiger Betreiber verbessern aber auch die Ausfallsicherheit satellitengestützter Navigation, da der Ausfall eines einzelnen Systems von den anderen kompensiert werden kann.

Die Positionierung, d. h. der genaue Standort eines GNSS-Empfängers ergibt sich aus den ausgewerteten Laufzeiten der Signale vom Satelliten zum Empfänger bei bekannten Satellitenpositionen im All. Informationen zu den Satellitenpositionen werden mit den Satellitensignalen ausgesendet. Sie werden vom Systembetreiber aus einem Netz von festen Bodenstationen abgeleitet. Deren Koordinaten und Koordinatenänderungen über die Zeit hinweg müssen dazu mit höchster Genauigkeit in einem weltweiten Referenzsystem vorliegen.

Um Beobachtungen und Analyseergebnisse verschiedener Navigationssysteme gemeinsam nutzen zu können, bedarf es der Definition einheitlicher Standards. Durch offene Datenformate lassen sich Daten besser austauschen und stellen auch auf der Nutzerseite einen offenen Wettbewerb unter den Markteilnehmern sicher. Dies bedeutet zum Beispiel, dass GNSS-Empfänger verschiedener Hersteller innerhalb eines Referenznetzes verwendet werden können.

Weitere Informationen:

• Satellitennavigation - Orientierung leicht gemacht (DLR-Oberpfaffenhofen)
• GPS und GNSS: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten (Jean-Marie Zogg)

Satellitenphotogrammetrie

Gesamtheit der Theorien, Verfahren und Geräte zur Aufnahme, Speicherung, Analyse und Auswertung von Satellitenbildern der Erdoberfläche oder der Oberfläche anderer Planeten. Somit ist Satellitenphotogrammetrie Photogrammetrie mit Satellitenbildern anstelle von Luftbildern. Im Unterschied zur Fernerkundung steht die geometrisch genaue Auswertung im Vordergrund, wobei aber auch semantische Informationen erfasst werden.

Die zivile Satellitenphotogrammetrie begann mit SPOT-1 im Jahr 1986 wodurch Weltraumstereomodelle möglich wurden. Der eigentliche Durchbruch kam jedoch mit den sehr hoch auflösenden Satelliten, speziell mit IKONOS 1999, dessen Aufnahmen eine Kartenerstellung bis zum Maßstab 1:10.000 ohne wesentlichen Datenlücken ermöglichten. Mit der weiteren Verbesserung der Auflösung von jetzt (2017) bis zu 31 cm Objektpixelgröße durch WorldView-3 gibt es eine Überlappung zwischen der Luftbild- und der Satellitenphotogrammetrie. Die inzwischen ansehnliche Anzahl optischer Satelliten mit Objektauflösungen von 1 m und besser ermöglicht die Aufnahme beliebiger Gebiete ohne große Wartezeiten soweit es die Wolkenbedeckung zulässt. So werden ohne bürokratische Hindernisse hochaufgelöste Bilddaten auch für Länder mit Luftbildbeschränkungen möglich. Nach der Faustformel für die erforderliche Objektpixelgröße von 0,1 mm im Maßstab der topographischen Karten können jetzt Geobasisdaten von bis zum Maßstab von etwa 1:3100 aus Satellitenbildern erstellt werden.

Die Fragen der Bildgeometrie und der Orientierung sind weitgehend gelöst, trotzdem sind auch noch Näherungsverfahren im Einsatz, die allerdings nur als Übergangslösungen akzeptiert werden können. Zumindest die relative Anpassung benachbarter Szenen erfordert eine Blockausgleichung. Semantische Daten werden weitgehend interaktiv erfasst, dieses unterscheidet sich nicht von der Luftbildauswertung, wogegen Höhenmodelle praktisch nur noch aus automatischer Bildzuordnung abgeleitet werden.

Für die Satellitenphotogrammetrie werden hauptsächlich optische Bilder mit einer Objektpixelgröße von 1 m und besser eingesetzt.

Satellitenscanner

Engl. satellite scanner, franz. scanneur spatiale, scanneur de satellite; nach DIN 18716 "für den Einsatz auf Satellitenplattformen konzipierter Scanner".

Satellitentracking

Die Vorhersage des Erscheinens von Satelliten am Himmel mit Hilfe mathematischer Berechnung und ihre visuelle Verfolgung mit Fernglas, Teleskop, Kamera oder Antenne.

Weitere Informationen und Software zum Satellitentracking:

• Satellitenbahnberechnung - Grundlagen (M. Maday)
• Heavens-Above
• FOOTPRINT - Satellite Tracking Programme (L. Hamilton)

Satellitenzentrum der Europäischen Union (SatCen)

Das Satellitenzentrum der Europäischen Union (SatCen) wurde im Jahr 2002 auf der Grundlage einer Gemeinsamen Aktion des Rates vom 20. Juli 2001 (ABl. L 200 vom 25. Juli 2001) eingerichtet und nahm im Januar 2002 seine Tätigkeit in der Nachfolge des Satellitenzentrum der Westeuropäischen Union (von 1993 bis 2001) auf.

Das Zentrum ist eine Agentur des Rates der Europäischen Union; seine Hauptaufgabe besteht in der Erstellung und Auswertung von Informationen, die aus der Analyse von Bildern der Erdbeobachtungseinrichtungen gewonnen werden. Es unterstützt damit die Entscheidungsfindung der Europäischen Union im Bereich der Gemeinsamen Außen- und Sicherheitspolitik (GASP) durch auf Weltrauminfrastrukturen und Zusatzdaten basierende Dienste. Unter bestimmten Bedingungen werden auch Anfragen von Drittländern sowie von Organisationen wie UNO, OSZE und NATO vom SatCen bearbeitet.

Neben der Unterstützung der Entscheidungsfindung ist das Zentrum auch mit der Ausbildung von Personal auf dem Gebiet der digitalen Satellitenbildauswertung und der Erstellung geographischer Informationssysteme betraut.

Aufgabenbereiche des EUSC betreffen beispielsweise

• Unterstützung von Rüstungskontrolle
• Unterstützung militärischer Operationen
• Friedenserhaltung, -stiftung, -durchsetzung
• humanitäre Missionen
• Vetragsüberwachung
• Nichtverbreitung (von Massenvernichtungswaffen)
• Terrorismusbekämpfung
• Hinweise und Warnungen (bzgl. der Sicherheitslage)

Georäumliches Aufklärungskonzept der EUSC (SatCen) Quelle: ESA

Das SatCen verfügt zur Wahrnehmung seiner Aufgaben über eine eigene Rechtspersönlichkeit und ist der politischen Aufsicht des Politischen und Sicherheitspolitischen Komitees des Rates und den operativen Weisungen des Generalsekretärs unterstellt.

Partner des SatCen sind: Europäischer Auswärtiger Dienst, Europäische Kommission, Europäische Verteidigungsagentur (EDA), Europäische Weltraumorganisation sowie andere Institutionen und internationale Organisationen. Der Sitz des Zentrums befindet sich in Torrejón de Ardoz in der Nähe von Madrid (Spanien).

Das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) ist mit seiner Servicestelle Fernerkundung für das Satellitenzentrum der Europäischen Union (SatCen) die zivile nationale Anlaufstelle der Bundesregierung für die Copernicus-Service-in-Support-to-EU-External-Action-(Copernicus SEA)-Dienstleistungen. SatCen liefert in erster Linie Informationen, die mithilfe von Fernerkundung gewonnen werden und bietet gezielte Auswertungen und Analysen aus Satellitenbilddaten an. Diese dienen als Entscheidungsgrundlage im Rahmen der gemeinsamen europäischen Außen- und Sicherheitspolitik der Europäischen Union. Die Servicestelle bietet den Bedarfsträgern im Bund Beratungs- und Koordinierungsleistungen für die Copernicus-SEA-Produkte auf nationaler Ebene an.

Weitere Informationen:

• SatCen - Startseite (EU SatCen)
• What is GEOINT? (SatCen)
• Europas Augen (Spiegel Online)

SAVI

Engl. Akronym für soil adjusted vegetation index, dt. bodenbereinigter Vegetationsindex (BBVI). Er wird wie andere Vegetationsindizes auf der Basis von Satellitendaten errechnet. Der bodenbereinigte Vegetationsindex ähnelt in der Berechnung sehr dem NDVI. Neben dem Reflexionsgrad im nahen Infrarot (NIR) und im roten sichtbaren Bereich (rot) geht aber noch der empirisch festzulegende Korrekturfaktor L ein:

Der Faktor L variiert zwischen 0 und 1, wobei ihm umso kleinere Werte zugewiesen werden, je dichter die Vegetation ist. Oft wird 0,5 als mittlerer Wert angewandt. Da der bodenbereinigte Vegetationsindex stark von L abhängt, wird in den meisten Fällen der NDVI als robusterer Index bevorzugt.

In Gebieten, in denen die Vegetationsdecke niedrig ist (< 40 %) und wo die Bodenoberfläche exponiert ist, kann die Reflexion von Licht im roten und im nahinfraroten Teil des Spektrums die Werte des Vegetationsindexes beeinflussen. Dies ist besonders problematisch wenn zwischen verschiedenen Bodentypen Vergleiche gemacht werden, die möglicherweise verschiedene Lichtmengen im roten Spektralbereich und im nahen Infrarot reflektieren (d.h. Böden mit unterschiedlichen Helligkeitswerten). Der bodenbereinigte Vegetationsindex wurde als Modifikation des NDVI entwickelt, um den Einfluss der Bodenhelligkeit bei geringer Vegetationsdecke zu korrigieren.

Die Berücksichtigung des Bodeneinflusses geschieht auf Kosten der Empfindlichkeit des Vegetationsindexes. Verglichen mit dem NDVI ist der SAVI im allgemeinen weniger empfindlich gegenüber Vegetationsveränderungen (Menge und Bedeckung mit grüner Vegetation) und gleichzeitig empfindlicher gegenüber atmosphärischen Unterschieden.

Scan-Zeile

Grundeinheit eines digitalen Bildes, das sich aus dem Aufnahmeprinzip des optomechanischen Scanners und des optoelektronischen Scanners ergibt. Die Bildelemente sind dabei durch Rotation oder Wippen eines Spiegels oder Prismas (optomechanische Scanner) bzw. durch zeilenweises Scannen mit Zeilendetektoren (optoelektronische Scanner) in einer quer zur Flugrichtung verlaufenden Folge angeordnet.

Die Zeilenbreite wird durch den Auslenkwinkel bei mechanischem Messprinzip bzw. durch die Anzahl der Detektoren pro Zeile bei elektronischem Messprinzip festgelegt.

Notwendige Korrekturen im Rahmen der Bildverarbeitung betreffen folgende Aspekte:

• Passgenauigkeit der Scan-Zeilen in Streifenmitte mit Hilfe der Zeilenpassbedingung
• Zeilenschiefe bei optomechanischen Scannern als Folge der Fortbewegung des Satelliten während der Aufnahme
• Zeilenversetzung als Folge der Erdrotation

Beispiel für eine Zeilenversetzung:

Eine Scan-Zeile des Thematic Mapper (TM) auf Landsat-4 und -5 ist infolge eines Auslenkwinkels des wippenden Spiegels von ±16,5 gon (Gon) auf der Erdoberfläche 185 km breit und besteht aus ca. 6.120 Bildelementen. Eine TM-Szene setzt sich aus 5.984 Zeilen zusammen. Die Scanfrequenz beträgt 6,999 Hz. Eine Zeile wird in 59 ms, eine Szene in 27 s aufgenommen. Damit besteht eine Zeilenversetzung von der ersten zur letzten Zeile einer TM-Szene von ca. 12,4 km.

Scanfrequenz

Engl. scan rate, franz. fréquence de scannage; nach DIN 18716 die "Anzahl der Abtastvorgänge je Zeiteinheit", mit der Anmerkung "Die Abtastung kann sich auf Pixel, Zeilen und 2D-Datensätze (Bilder) beziehen".

Scanner

Engl. scanner, franz. scanneur; Abtast-System zur Aufnahme von Bilddaten. Zusammen mit photographischen Systemen und Radarsystemen stellen Scanner die wichtigsten Verfahren dar. Die gewonnenen Daten werden in digitale Form umgewandelt, aufgezeichnet und weiter verarbeitet.

DIN 18716 versteht unter dem Begriff einen "Fernerkundungssensor, der eine Abbildung durch Empfangen und Registrieren elektromagnetischer Strahlung erzeugt, indem die Objektoberfläche systematisch abgetastet wird und dabei die Eigenbewegung des Sensorträgers (Flugzeug, Satellit) nutzt und mit einem systeminternen Abtastvorgang kombiniert" und macht folgende Anmerkung:
"Nach konstruktiven Gesichtspunkten werden unterschieden:

• opto-mechanische Scanner (engl.: opto-mechanical scanner, whiskbroom scanner), wenn die Abtastung durch die mechanische Bewegung eines optischen Bauelementes erzielt wird. [ISO/TS 19130:2010, 4.87: whiskbroom sensor: sensor that sweeps a detector forming cross-track image line(s) and constructs a larger image from a set of adjacent lines using the along-track motion of the sensor's collection platform];
• opto-elektronische Scanner (engl.: opto-electronic scanner, pushbroom scanner), der die Eigenbewegung des Sensorträgers für die Bildaufnahme mittels einer CCD-Zeile nutzt. [ISO/TS 19130:2010, 4.68: pushbroom sensor: sensor that collects a single cross-track image line at one time and constructs a larger image from a set of adjacent lines resulting from the along-track motion of the sensor]."

Im Gegensatz zur Photographie, mit der gleichzeitig ein Gesamtbild einer größeren Geländefläche gewonnen wird, beobachtet man mit einem Scanner oder Abtaster zeilenweise oder bildelementweise nur die von kleinen Flächenelementen des Geländes ausgehende elektromagnetische Strahlung. Um ein größeres Gebiet bildhaft aufzunehmen, müssen viele derartige Einzelbeobachtungen zusammengefügt werden. Dabei wird die Eigenbewegung des Sensorträgers (Flugzeug, Satellit) genutzt und mit einem Abtastvorgang kombiniert.

Man unterscheidet einerseits zwischen den erwähnten optisch-mechanischen (z.B. die Sensoren der LANDSAT) und optoelektronischen Scannern, andererseits zwischen den nur in einem Spektralbereich aufnehmenden einkanaligen und den mehrkanaligen oder Multispektral-Scannern. Beide Arten von Abtastern besitzen dem anderen gegenüber Vor- und Nachteile. Sie werden anhand folgender Tabelle gegenübergestellt.

Zur Beobachtung der Erde von bewegten Plattformen werden meist drei Scan-Muster eingesetzt:

• Quer- oder Whiskbroom-Scannen: Diese optisch-mechanischen Scanner erfassen in jedem Moment ein Bodenelement. Eine Bildzeile entsteht beim Scannen durch eine mechanische Bewegung quer zur Flugrichtung. Jede neue Bildzeile entsteht durch eine Bewegung der Plattform.
• Längs- oder Pushbroom-Scannen: Diese zeilenweise arbeitenden Sensoren nehmen ein Bild Zeile für Zeile auf und nutzen dabei die Vorwärtsbewegung der Plattform.
• Kreisförmiges oder Konisches Scannen: Ein Scanspiegel ist mit vertikaler Drehachse montiert und erfasst ein kreisförmiges Bodenmuster. Vorteilig dabei ist, dass der Abstand vom Sensor zum Boden konstant und die Messzeile am Boden immer gleich groß ist.

Zur Erfassung von Objekten in räumlichen Punktwolken werden 3D-Scanner benutzt. Dazu wird der Scan-Prozess mit Laser-Entfernungsmessungen kombiniert. Der Prozess wird daher Laserscanning genannt und macht von der Technik des Lidar Gebrauch. Die Technik kann von bewegten als auch von unbewegten Plattformen aus eingesetzt werden.

Quelle: Universität Potsdam (Hartmut Asche)

Whiskbroom-Scannen

Quelle: ResearchGate

Pushbroom-Scannen

Quelle: UCAR

Konisches Scannen

Scatsat-1

Erdbeobachtungssatellit der indischen Weltraumbehörde ISRO; er wurde am 25. September 2016 mit einer PSLV-Trägerrakete vom Raketenstartplatz Satish Dhawan Space Centre in eine sonnensynchrone Umlaufbahn gebracht (zusammen mit Alsat-1B 103 kg, Alsat-1N 7 kg und Alsat-2B 117 kg, SpaceMag-PV 10 kg, CanX-7 8 kg, Pathfinder 1 44 kg, PISat 5 kg). Der Satellit soll als Übergangslösung zu OceanSat-3 dienen, nachdem im Februar 2014 das Hauptinstrument von OceanSat-2 ausgefallen war.

Der dreiachsenstabilisierte Satellit ist mit einem Ku-Band-Scatterometer ausgerüstet und soll Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen auf den Ozeanen messen. Er wurde auf Basis des Satellitenbus IMS-2 der ISRO gebaut und besitzt eine geplante Lebensdauer von fünf Jahren. Das Hauptinstrument ist das OSCAT-2 (eine verbesserte Version von dem auf OceanSat-2, mit verbessertem Motor und diversen Hard- und Softwareverbesserungen). Es ist ein im Gigahertzbereich (13,515 GHz) arbeitendes Radar mit zwei Strahlen. Diese tasten mit einer sich mit 20,5 Umdrehungen pro Minute drehenden 1 m großen Antenne die Erdoberfläche unterhalb des Satelliten ab und bestimmt der die Windgeschwindigkeiten im Bereich von 3 bis 30 m/s mit einer Genauigkeit von etwa 2 m/s. Das pro Umdrehung abgetastete Oberfläche beträgt 1400 bzw. 1840 km im Durchmesser, da die Strahlen in einem Winkel von 42,6° bzw. 49,3° abweichend von der Senkrechten ausgestrahlt werden. Die Windrichtung kann auf 20° genau und mit einer räumlichen Auflösung von Zellen von etwa 25 km bestimmt werden. Die Energieversorgung des Satelliten übernehmen zwei Solarzellenflächen mit einer Gesamtleistung von 750 Watt und Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit 28 Ah Kapazität. Die Datenübertragung zur Erde erfolgt im X-Band, wobei die Daten intern auf einer SSD mit 52 GB gespeichert werden.

Weitere Informationen:

• SCATSAT-1 (ISRO)
• SCATSat-1 (eoPortal Directory)

Scattergramm

Syn. Streuungsdiagramm; Darstellung der Verteilung der spektralen Grauwerte der Bildelemente eines digitalen Bildes oder von Ausschnitten desselben in einem Diagramm, der Anschaulichkeit halber in der Regel in einem zweidimensionalen spektralen Merkmalsraum. Jede Achse entspricht einem Spektralkanal, d.h. das Scattergramm eines Landsat-MSS-Datensatzes würde einen vierdimensionalen spektralen Merkmalsraum aufspannen. Die Koordinaten der Bildpunkte entsprechen den jeweiligen Grauwerten in den ausgewählten Spektralbereichen.

Scattergramme zeigen die Systematik der Grauwertverteilung von ausgewählten Objektklassen, z.B. Trainingsgebiete für die multispektrale Klassifizierung, in spezifischen Punktwolken (Cluster), deren Ausdehnung und Lage zueinander durch statistische Maße wie Schwerpunkt, Streuung, Varianz und Kovarianz ausgedrückt werden. Diese Maße sind Grundlagen der Verfahren der multispektralen Klassifizierung. Scattergramme können daher zur Abschätzung der Signifikanz ausgewählter Trainingsgebiete für eine folgende automatische Klassifizierung genutzt werden und zeigen ferner, ob eine Korrelation zwischen den Bildelementen in unterschiedlichen Spektralbändern besteht.

scattering

Engl. für Streuung; der Prozess, bei dem elektromagnetische Strahlung mit den Molekülen der Atmosphäre, des Ozeans oder der Landoberfläche interagiert und von ihnen umgelenkt wird. Der Begriff wird häufig für die Interaktion der Atmosphäre mit dem Sonnenlicht verwendet, welches die Atmosphäre blau erscheinen lässt. Die Ursache liegt darin, dass Licht am blauen Ende des Spektrums viel stärker gestreut wird als Licht nahe dem roten Ende.

Scatterometer

Engl. für Streustrahlungsmesser, franz. scattéromètre; ein nicht abbildendes, hochfrequentes Radarinstrument zur quantitativen Erfassung des Rückstreukoeffizienten der Geländeoberfläche in Funktion des Einfallswinkels (Inzidenzwinkel). Das Scatterometer sendet elektromagnetische Energie im Mikrowellenbereich (0,3 GHz - 300 GHz) aus und misst das Ausmaß der von den Objekten der Erdoberfläche in Richtung der Plattform rückgestreuten Energie in Funktion der technischen Parameter des Scatterometer, der Distanz zwischen der Plattform und den Objekten (Erdoberfläche) und den Eigenschaften der Objekte. Insbesondere macht man sich die Oberflächenrauigkeit zu Nutze. Scatterometer werden auf Flugzeugen und Satelliten eingesetzt.

Während Satellitenaufnahmen in den Spektralbereichen sichtbares und Infrarot-Licht dazu beitragen können, Stürme zu lokalisieren, vermögen sie jedoch keine Auskunft über die Oberflächenintensität zu geben. Nur das Scatterometer hat seine Fähigkeit bewiesen, Windgeschwindigkeit und Windrichtung in einem sehr breit gefassten Bedingungsspielraum mit relativ hoher Raumauflösung zu messen.

Dies geschieht beispielsweise über den Meeren, indem es die Rückstreuung misst, die von den kleinen windverursachten Rippeln auf der Wasseroberfläche ausgeht. Bei schrägem Einfallswinkel ist die Intensität der rückgestreuten Mikrowellenstrahlung von der Rauhigkeit der Wasseroberfläche abhängig, und diese wiederum von der Windgeschwindigkeit über der Wasseroberfläche. Die Genauigkeit beträgt wenige Zentimeter, so dass sich auch Wellenhöhen ermitteln lassen sowie ozeanische Strömungsfelder.

Die vom Scatterometer gelieferten Informationen über Windfelder erlauben es, Position und Zugbahn von Tiefdruckgebieten präziser nachzuverfolgen. Dies ermöglicht eine wesentliche Verbesserung des Genauigkeitsgrads von kurz- und mittelfristigen Vorhersagen.

Auf Land ist das Radarecho eine Funktion der Landbedeckung mit ihren Rauigkeitsunterschieden.

Die inaktiven europäischen Fernerkundungssatelliten ERS-1 und ERS-2 erfassten mit Hilfe des AMI-SCAT durch drei Antennen den Rückstreukoeffizienten entlang eines 500 km breiten Streifens rechts der Flugbahn in einer nach rechts geneigten (engl. mid beam), einer um einen Azimutwinkel von 45º nach vorne (engl. fore beam) und einer um einen Azimutwinkel von 45º nach hinten (engl. after beam) gedrehten Aufnahmerichtung. Die Daten wurden als Rückstreukoeffizenten in einem Raster mit 25x25 km großen Rasterelementen für jede der drei Antennen aufbereitet. Da das Scatterometer auf ERS vornehmlich zum Zwecke der Erfassung von Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen über Ozeanen konstruiert wurde, wird es des öfteren als Wind-Scatterometer bezeichnet. Später wurde das ERS-Scatterometer jedoch auch vermehrt zur Extraktion von Informationen über die Bodenfeuchte (wetness index) in der durch das C-Band erfassbaren obersten Bodenschicht von 0,5-2 cm herangezogen.

Windfeldkarte des Hurrikans Isabel (15.23 UTC, 17.09.2003) Diese Windfeldkarte wurde aus Daten des Wind-Scatterometers an Bord von ERS-2 am 17.9.2003 erstellt. Jedes Fähnchen auf dem Windfeld zeigt die Richtung und die Stärke des Windes an. Der Fahnenteil der Signaturen zeigt in die Richtung, aus der der Wind kommt. Erkennbar wird somit eine dem Uhrzeigersinn entgegen gerichtete Rotation um das Auge des Hurrikans. Die Zahl der seitlichen Striche an einer "Fahnenstange" zeigen die Windstärke an: Je mehr Striche, um so stärker ist der Wind. Sechs Striche stehen für Windstärken über 32 Knoten. Zum Aufnahmezeitpunkt wurde Isabel in die Hurricane-Kategorie 2 eingestuft. Isabel hatte am 14.9.2003 Windgeschwindigkeiten von 170 Knoten erreicht und lag damit gerade unterhalb der Kategorie 5. Quelle: ESA

Damit liefern Scatterometer nicht nur eine enorme Menge von Windmessdaten hoher Qualität an die Meteorologen, sondern auch detaillierte Merkmale der dichten Wirbelsturmstrukturen, die mit anderen Erfassungsmethoden nur unter großen Schwierigkeiten erhältlich wären. Die Zeitauflösung (temporale Auflösung) ermöglicht dem Satelliten, alle 24 bis 48 Stunden ein Bild eines tropischen Wirbelsturms zu produzieren.

Über Landflächen messen Scatterometer den Rückstreukoeffizienten, der von Vegetation, Bodenrauigkeit, Bodenfeuchte und Einfallswinkel beeinflusst wird. Um z.B. den Bodenwassergehalt zu bestimmen, müssen die anderen Einflussgrößen berücksichtigt werden.

Mittlerer Bodenwasserindex - ERS Scatterometer-Daten 1992-2000 Zu Animation auf Grafik klicken.
	Der mittlere Bodenwasserindex ist ein Trendindikator der Feuchtigkeits-verhältnisse in den oberen 100 cm der Böden, abgeleitet aus den ERS-FE-Daten. Der Wert 0% repräsentiert trockene, 100% steht für feuchte Verhältnisse. Quelle: TU Wien IPF

Scatterometer befanden sich u.a. an Bord der europäischen ERS-Satelliten (AMI), ferner des japanischen ADEOS-II und des amerikanischen QuikSCAT mit fast identischen Versionen des Instruments SeaWinds. Aktuell (2014) sind ein Ku-Band-Scatterometer (SCAT) auf dem indischen OceanSat-2, sowie zwei C-Band-Scatterometer (ASCAT) an Bord der europäischen MetOp-A und MetOp-B in Betrieb. Diese Konstellation wurde im September 2014 ergänzt durch das an der ISS montierte ISS-RapidScat.

Weitere Informationen:

• What is Scatterometry? (COAPS)
• Scatterometers (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Scatterometer work (KNMI)
• Ocean Winds (PODAAC)

Schall

Der Ton, das Geräusch oder Klang, der wahrgenommen werden kann. Der Schall stellt die Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichtestörungen in einem Medium (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) dar. Im Vakuum kommt Schall nicht vor.

Von einer Schallquelle verbreitet sich der Schall wellenartig als mechanische Schwingung aus. Die Schallgeschwindigkeit in der Luft beträgt etwa 340 m/s. Die Schallwelle wird durch die Frequenz (Tonhöhe) und Amplitude (Lautstärke) beschrieben. Der Hörbereich der Menschen erstreckt sich von etwa 20 Hz bis 20 kHz. Mit dem Alter kann nicht mehr der ganze Hörbereich wahrgenommen werden.

Der Schalldruck ist die, durch einen Ton hervorgerufene, sehr kleine Abweichung des Luftdrucks.

School-Lab

Siehe DLR_School_Lab

Schrägaufnahme

Engl. oblique view; franz. (prise de) vue oblique; eine Schrägaufnahme liegt vor, wenn die Nadirdistanz mehr als 3° beträgt, die Aufnahme also schräg nach unten, z.B. aus einem Flugzeug erfolgt.

DIN 18716 definiert die Schrägaufnahme als "Aufnahme mit einem Neigungswinkel 0° < ∝ < 90°".

Bilder dieser Art zeigen die Erdoberfläche ähnlich, wie man sie von einem hohen Aussichtspunkt aus sieht. Schrägaufnahmen machen die Dreidimensionalität erdräumlicher Sachverhalte gut sichtbar und erfassbar, wodurch sie besonders bgeeignet sind, dreidimensionale Formen und Strukturen zu veranschaulichen. Beispiele sind Landschaftsformen,Stadtstrukturen, Lage und Strukturen von Siedlungen, Industrieanlagen, landwirtschaftlich genutzte Flächen usw.

Die aufgenommene Geländefläche ist meist etwa trapezförmig begrenzt, der Maßstab der Abbildung nimmt vom Vordergrund zum Hintergrund stark ab. Solche Luftbilder sind anschaulicher, aber geometrisch/photogrammetrisch schwerer verarbeitbar als Nadir- oder Senkrechtaufnahmen. Sie erlauben eine gute Sichtbarkeit von lateralen Gebäudeteilen, Bäumen und anderen Objekten.

Bei den meisten Prozessierungs- und Auswerteschritten kann auf bestehende Verfahren zurückgegriffen werden, jedoch sollte die besondere Aufnahmegeometrie berücksichtigt werden. Hier ist der stark variierende Maßstab in den einzelnen Bildern und die Verdeckungsproblematik zu nennen. Die großflächige Sichtbarkeit von Gebäudefassaden eröffnet neue Möglichkeiten und Herausforderungen bei der automatischen Bildinterpretation.

Die Bedeutung von Schrägaufnahmen liegt vor allem in der bildhaften Dokumentation einzelner Objekte.

Senkrecht- und Schrägluftaufnahme Für die meisten Kartierungsanwendungen werden vertikale Luftbilder (links) benötigt. Eine Senkrechtaufnahme wird durch eine Kamera im Boden eines Luftfahrzeuges erstellt. Das daraus resultierende Bild ist kartenähnlich und hat einen über den gesamten Bildbereich annähernd konstanten Maßstab. Schrägaufnahmen (rechts) entstehen, wenn die Achse der Kamera nicht senkrecht steht. Sie können auch mit einer Handkamera und durch das (offene) Fenster eines Flugzeugs aufgenommen werden. Der Maßstab eines Schrägbildes variiert vom Vordergrund zum Hintergrund. Dieser Maßstabsunterschied erschwert die Messung von Positionen anhand des Bildes, und aus diesem Grund werden Schrägaufnahmen nur selten für Kartierungszwecke verwendet. Dennoch können Schrägaufnahmen für bestimmte Zwecke nützlich sein, z. B. um die Seiten von Gebäuden zu betrachten. Quelle: Principles of Remote Sensing

Schrägentfernung

Engl. slant range, franz. distance oblique; nach DIN 18716 die "von einem Radarsystem unmittelbar gemessene Entfernung".

Schwadbreite

Engl. swath width, franz. largeur de la bande de scannage, largeur de couloir; Breite des Aufnahmestreifens (Schwad) eines Scanners (bes. optoelektronischen Scanners) gemessen auf der Erdoberfläche in Kilometern senkrecht zur Flugbahn.

Die Schwadbreite hat entscheidenden Einfluss auf die Bildwiederholrate. Geostationäre Sensoren können bei entsprechender Auslegung alle 15 min ein Bild liefern (z.B. SEVIRI auf MSG), ein "weitwinkliger" Sensor mit einer Schwadbreite von 2.000 km erfaßt einen Ort auf der Erde mehr als 10 mal am Tag, während Systeme mit großen Brennweiten und Streifenbreiten von 30 km ein Gebiet nur etwa einmal im Monat erfassen.

Die Land-abbildenden Satelliten sind dazu optimiert, Bilder aufzunehmen mit sehr hoher Auflösung (Submeter), hoher Auflösung (1-3 Meter) oder mittlerer Auflösung (5-120 Meter). Diese Technologien versuchen, ein Höchstmaß an möglichst scharfen Bilddaten über sowohl natürliche, als auch menschengemachten physischen Eigenschaften der Erdoberfläche zu gewinnen. Die in der folgenden Grafik rot markierten Bereiche illustrieren die 2007 gegebenen Fähigkeiten amerikanischer Satelliten im operationellen Bereich mit mittlerer Auflösung. Es ist zu beachten, dass der VIIRS-Sensor der NOAA die meisten Anforderungen an gering auflösende Bilder bedienen kann, und dass hochauflösende Systeme in amerikanischen Privatfirmen zur Verfügung stehen.

Sensoren mit nur geringer Auflösung (z.B. die MODIS-Instrumente an Bord von Terra und Aqua, Auflösung 250 m bis 1 km) liefern häufige, nahezu tägliche Abdeckungen der Erdoberfläche. Diese Beobachtungen werden benötigt, um großräumige dynamische Prozesse wie Schneebedeckung und -schmelze zu dokumentieren, die regionale Vegetationsperiode mit ihrem Einsetzen und Ende, die jährliche Ausdehnung und der Rückzug von Eisschilden - Prozesse, die potentiell ein sich änderndes Klima widerspiegeln. Am anderen Ende der Skala befinden sich kommerzielle Satellitensysteme mit, die mit ihren Schwadbreiten von ca. 15 km hochaufgelöste Bilder im Submeter-Bereich von kleinen Gebieten liefern.

Im Bereich der mittleren Auflösungen können Entscheidungen über die Landnutzung und deren Konsequenzen am besten beobachtet werden. Land wird typischerweise in relativ kleinen Flächeneinheiten bewirtschaftet, es ist dann eine mehr oder weniger große Acker- oder Wald-Parzelle oder eine Wohnsiedlung. Diese Entscheidungen verbinden sich über die Landschaftsskala mit regionalen bis globalen Konsequenzen, die über eine saisonale bis jährliche Basis weiter bestehen.

Landsat ist dazu ausgelegt, relativ hoch auflösende Bilder der Erde zu erzeugen und relativ oft die gesamte Erde abzudecken. Insofern nimmt Landsat hinsichtlich seiner Auflösung einen mittleren Platz ein und bedient für die Wissenschaft sowohl Ansprüche im operationellen Bereich, wie auch für die Grundlagenforschung.

Zusammenhang von Schwadbreite und Auflösung Die Land-abbildenden Satelliten sind dazu optimiert, Bilder aufzunehmen mit sehr hoher Auflösung (Submeter), hoher Auflösung (1-3 m) oder mittlerer Auflösung (5-120 m). Diese Technologien versuchen, ein Höchstmaß an möglichst scharfen Bilddaten über sowohl natürliche, als auch menschengemachten physischen Eigenschaften der Erdoberfläche zu gewinnen. Die in der Grafik rot markierten Bereiche illustrieren die 2007 gegebenen Fähigkeiten amerikanischer Satelliten im operationellen Bereich mit mittlerer Auflösung. Es ist zu beachten, dass der VIIRS-Sensor der NOAA die meisten Anforderungen an gering auflösende Bilder bedienen kann, und dass hochauflösende Systeme in amerikanischen Privatfirmen zur Verfügung stehen. Quelle: National Science and Technology Council

Schwarzer Körper

Syn. schwarzer Strahler, planckscher Strahler, engl. black body; idealerweise ein Körper, der jegliche auftreffende elektromagnetische Strahlung absorbiert, d.h. keine Energie wird reflektiert oder übertragen. Er selbst emittiert Strahlung entsprechend dem Planckschen Strahlungsgesetz. Diese hängt nur von seiner Temperatur und nicht von seiner materiellen Beschaffenheit ab. Es findet keine Reflexion oder Transmission von Strahlungsenergie statt. In der Realität sind die idealisierten Eigenschaften des Schwarzen Körpers nur näherungsweise innerhalb begrenzter Spektralintervalle zu erreichen.

Schwarzer Körper Die Abbildung stellt einen Schwarzen Körper dar, der zur Kalibrierung der Instrumente ERBE und CERES verwendet wird. Quelle: My NASA Data Glossary

Schwarzweißinfrarotfilm

Die Empfindlichkeit von Schwarzweissinfrarotfilmen erstreckt sich von 0,3 bis 0,9 µm und umfasst somit auch die kurzwellige UV- und Blaustrahlung. Der kurzwellige Bereich der Strahlung wird daher durch Filter ausgeschaltet, so dass das erhaltene Schwarzweiss-Infrarotbild eine Grauabstufung vom sichtbaren Grün bis zum nahen Infrarot zeigt. Durch das Ausfiltern kurzer, streuungsanfälliger Wellenlängenbereichen eignet sich die Schwarzweißinfrarot-Photographie sehr gut für Aufnahmen bei Dunst.

Schwell(en)wertverfahren

Engl. thresholding , Fr. seuillage d'image; Gruppe von Algorithmen zur Segmentierung digitaler Bilder. Segmentierung allgemein kann ein wichtiger Schritt zur Bildanalyse sein, beispielsweise um Objekte im Bild zu erkennen. Mit Hilfe von Schwellenwertverfahren kann man in einfachen Situationen entscheiden, welche Bildpunkte (Pixel) gesuchte Objekte darstellen und welche deren Umgebung angehören. Schwellenwertverfahren führen zu Binärbildern, beispielsweise zur Erstellung von Wolkenmasken (bewölkt / nicht bewölkt).

Ein Anlass für die Verwendung von Binärbildern ist meist die Verfügbarkeit schneller Binärbild-Algorithmen; die Speicherplatzersparnis spielt in Bildverarbeitungsanwendungen heute eine geringere Rolle.

Wie bei allen Segmentierungsverfahren werden auch bei den Schwellenwertverfahren Bildpunkte verschiedenen Gruppen – den so genannten Segmenten – zugeordnet. Das zu segmentierende Bild liegt dabei in Form von Zahlenwerten (ein oder mehrere Farbwerte pro Pixel) vor. Die Zugehörigkeit eines Pixels zu einem Segment wird durch den Vergleich des Grauwertes oder eines anderen eindimensionalen Merkmals mit einem Schwellenwert entschieden. Der Grauwert eines Pixels ist sein reiner Helligkeitswert, weitere Farbinformationen werden nicht berücksichtigt. Da diese Operation meistens für jedes Pixel unabhängig angewendet wird, ist das Schwellenwertverfahren ein so genanntes pixelorientiertes Segmentierungsverfahren.

Schwellenwertverfahren gehören zu den ältesten Methoden in der digitalen Bildverarbeitung. Schwellenwertverfahren lassen sich aufgrund ihrer Einfachheit schnell implementieren und Segmentierungsergebnisse können mit geringem Aufwand berechnet werden. Die Qualität der Segmentierung ist im Allgemeinen jedoch schlechter als bei komplexeren Verfahren. Eine hundertprozentig richtige Zuweisung der Klassen gibt es nicht. Die natürliche Abwandlung der spektralen Merkmale z.B. von verschiedenen Landnutzungsklassen bestimmt entscheidend die Genauigkeit. Fehler können z.B. auftreten, wenn verschiedene Oberflächen mehr oder weniger gleiches spektrales Verhalten aufweisen oder homogen angesehene Oberflächen Anteile signifikant verschiedener Klassen enthalten. Neben der unsicheren Klassenzuweisung können auch bei der benutzerabhängigen Klassendefinition unscharfe Aussagen das Klassifikationsergebnis beeinträchtigen.

Schwellwertbild

Engl., threshold image; entsteht durch die Zusammenfassung des gesamten Schwärzungs- oder Grauwerteumfangs von Luftbildern oder digitalen Bilddaten in mehrere, dem Auswertungszweck angepasste Tonwertklassen, den Äquidensiten. Sie kann auf analogem photographischen Weg oder auch mittels Verfahren der digitale Bildverarbeitung erfolgen.

Schwerefeld der Erde

Jeder Stern und jeder Planet erzeugt ein Schwerkraft- oder Schwerefeld. Mit seiner anziehenden Kraft sorgt es dafür, dass die Erde um die Sonne und der Mond um die Erde fliegen, und es ist ebenso dafür verantwortlich, dass Mensch und Tier an der Erdoberfläche bleiben. Wäre die Erde eine perfekte Kugel, so wäre das Schwerkraftfeld um unseren Planeten herum völlig symmetrisch und würde von der Erde weg in allen Richtungen gleichermaßen abnehmen. Das ist jedoch nicht der Fall.

Einerseits entsteht durch die Rotation unseres Planeten um die eigene Achse eine Fliehkraft. Sie ist am Äquator am stärksten und nimmt zu den Polen hin bis auf null ab. Daher zieht die Fliehkraft unseren Planeten auseinander, und die Erde gleicht eher einem Rugbyball oder Ellipsoid: Der Durchmesser am Äquator ist um 21 Kilometer größer als von Pol zu Pol. An den Polen ist die Anziehung um ca. 1/200 größer als am Äquator – aufgrund der Abplattung der Erde und der am Pol wegfallenden Fliehkraft. Dies bewirkt, dass ein normalgewichtiger Mensch am Pol etwa 350 Gramm mehr wiegt als am Äquator. Wäre die Erde ansonsten gleichmäßig aufgebaut, wäre das Ellipsoid auch die exakte Form des Meeresspiegels – des Geoids.

Darüber hinaus gibt es auch auf kleineren Skalen Abweichungen von einem perfekten Ellipsoid, zum Beispiel durch Gebirge und Tiefseerinnen. Diese ungleichmäßige Topographie äußert sich in entsprechenden Unregelmäßigkeiten im äußeren Schwerefeld. Zudem ist auch das Erdinnere nicht gleichförmig aufgebaut. Es gibt Bereiche aus sehr dichtem und schwerem Gestein. Dort herrscht eine stärkere Erdanziehungskraft. An anderen Stellen ist das Krustenmaterial leichter, dort ist das Erdschwerefeld geringer. Solche so genannten Anomalien entstehen zum Beispiel in Bereichen, wo Kontinentalplatten aufeinander stoßen oder voneinander wegdriften.

Auch kleinere Effekte wie die Gezeiten (Anziehung durch Mond und Sonne) spielen eine Rolle.

Diese Unregelmäßigkeiten des Erdkörpers spiegeln sich unmittelbar in der Struktur des Schwerefeldes wider. Die zusätzlichen Abweichungen wirken sich in der Schwerkraft bis zu 0,01 % aus, in der Lotrichtung bis 0,01° und im Geoid bis 100 Meter. Stellt man das Feld in einer räumlichen Karte dar, so sieht die Erde wie eine Kartoffel aus. Für Geophysiker ist ein „Schwerefeldatlas“ ebenso wertvoll wie eine topographische Karte für Landvermesser. Er enthält eine Fülle von Informationen.

Außerhalb der Erde ist das Schwerefeld der Kugelfom angenähert, da der gravitative Effekt die anderen bei weitem überwiegt. Die Abweichungen liegen nur im Promille-Bereich und beeinflussen erdnahe Satellitenbahnen auf einige Kilometer bzw. Zehntelgrad pro Stunde.

Das Erdschwerefeld hat seinen höchsten Wert an der Erdoberfläche. Im Inneren der Erde nimmt das Schwerefeld mit dem Abstand vom Erdmittelpunkt annähernd linear ab. Am Erdmittelpunkt selbst ist das Schwerefeld Null, es herrscht Schwerelosigkeit.

Satelliten bieten die einzige Möglichkeit, das gesamte Schwerkraftfeld der Erde einheitlich zu vermessen. Das funktioniert nach folgendem Prinzip: Der Satellit umkreist die Erde auf einer festen Bahn, auf der sich die zur Erde gerichtete Schwerkraft und die nach außen gerichtete Fliehkraft genau die Waage halten. In einem vollkommen symmetrischen Schwerefeld würde sich der Satellit auf einer Ellipsen- oder Kreisbahn bewegen. Überfliegt er aber eine „Beule“ oder „Delle“ im Schwerefeld, so ergeht es ihm ähnlich wie einem Surfer im Meer: Er fliegt auf einer leichten Wellenbahn. Im Bereich stärkerer Schwerkraft, wird er beschleunigt und steigt hoch, über einem Gebiet mit schwächerer Schwerkraft wird er langsamer und sinkt ab. Verfolgt man die Bahn des Satelliten exakt, so lässt sich aus den Bahnschwankungen das Erdschwerefeld rekonstruieren.

Mit den drei Schwerefeldsatellitenmissionen CHAMP, GRACE und GOCE ist ein Qualitätssprung hinsichtlich Genauigkeit, Auflösung und globaler Überdeckung zu erwarten, bzw. schon eingetreten. Von den drei Missionen wird GOCE die höchste räumliche Auflösung erreichen und Strukturen ab ca. 70 km Größe erfassen können. GRACE hingegen zielt eher auf die Messung von zeitlichen Variationen im Schwerefeld.

Damit wird die Einbeziehung von Schwerefeldinformation auch für eine wachsende Zahl von geowissenschaftlichen Anwendungen interessant werden. Die Beschreibung der Lithosphärenstruktur durch die Kombination von seismischen Ergebnissen mit Schwerefelddaten ist ein gutes Beispiel. Vor allem aber werden die wichtigsten physikalischen Bezugsflächen, Geoid und Meeresoberfläche, durch das Erdschwerefeld festgelegt bzw. wesentlich davon beeinflusst. Das Geoid ist die Fläche, die genähert mit dem mittleren Meeresspiegel übereinstimmt und auf der das Erdschwerepotential konstant ist. Das Schwerefeld ändert sich wegen Massenverlagerungen innerhalb des Erdsystems (z. B. Tektonik, Atmosphäre, Ozeane, Grundwasser) und muss deshalb zeitabhängig behandelt werden. Die Kenntnis des Schwerefeldes ist auch für die Geophysik und Raumfahrt wichtig. Die Variation der Meeresoberfläche hat für die Ozeanographie und Erforschung des globalen Wandels große Bedeutung. Sie führt aber auch dazu, dass die Höhensysteme verschiedener Länder ein unterschiedliches Niveau haben.

Neue Schwerefeldmissionen, etablierte Raumbeobachtungsverfahren sowie die Satellitenaltimetrie, die präzise Punktpositionierung durch GPS sowie traditionelle Registrierungen von Pegeln müssen kombiniert werden, um die Beziehungen zwischen Geoid und Meeresspiegel zu präzisieren.

Weitere Informationen:

• Das Potsdamer Geoid. (P. Schwintzer und Ch. Reigber, GFZ; in: SuW 8/2002)
• Das Schwerefeld der Erde. (Ch. Reigber und P. Schwintzer, GFZ: in: PiuZ 5/2003)
• Vermessung des Erdschwerefeld mit Satelliten. Beitrag von Christoph Förste, GFZ (System Erde. GFZ-Journal 1/2013)
• Gravity, Magnetic Field and Geodynamic Instruments (The Earth Observation Handbook Rio+20)

Schwerepotential

Das Schwerepotential der Erde setzt sich aus dem Gravitationspotential V und dem Zentrifugalpotential Z zusammen: W=V+Z.

SCIAMACHY

Engl. Akronym für Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography; SCIAMACHY ist ein Atmosphären-Sensor auf der beendeten Satellitenmission Envisat. Er arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie GOME (Global Ozone Monitoring Experiment), der Sensorkonfiguration auf der ebenfalls abgeschlossenen Mission ERS-2, jedoch im erweiterten Wellenlängenbereich von 240 bis 2.380 nm. Das Instrument besitzt acht optische Kanäle. Diese arbeiten im sichtbaren Spektrum sowie in den angrenzenden Bereichen des nahen Ultravioletts und des nahen Infrarots. Für die Infrarotkanäle wurden spezielle Detektoren entwickelt. Aus den Spektren, die mit dem Instrument gemessen werden, können am Boden die Konzentrationen von 15 Bestandteilen der Atmosphäre sowie Druck und Temperatur bestimmt werden. Außerdem kommen verschiedene Mess-Modi zum Einsatz: neben der Nadir-Messung die Limb-Messung (Blickrichtung über den Horizont zum Rand der Atmosphärenschicht), die Okkultations-Messung (Messung von durch die Atmosphäre geschwächtem Sonnen- oder Mondlicht) sowie kombinierte Messungen. Aus den Daten können Erkenntnisse über weitere Spurengase und ihre dreidimensionale Verteilung in der Troposphäre und unteren Stratosphäre gewonnen werden.

Messmodi bei SCIAMACHY Im Nadir-Modus wird der Atmosphärenausschnitt direkt unter dem Instrument gemessen.

Messmodi bei SCIAMACHY Okkultationsmessungen werden mit der gleichen Geometrie durchgeführt wie beim Limb-Modus, aber die Sonne oder der Mond befindet sich im Blickfeld des Instruments.

Messmodi bei SCIAMACHY Im Limb-Modus blickt das Instrument an den Rand der Atmosphäre.

Messmodi bei SCIAMACHY Ein wichtige Eigenheit von SCIAMACHY ist die Möglichkeit, den gleichen Atmosphärenausschnitt zunächst im Limb- und 7 Minuten später im Nadir-Modus zu betrachten. Dieses Kombinationsverfahren erbringt 3D-Informationen über die Atmosphäre. Quelle: Uni Bremen IUP

Weitere Informationen:

• Sciamachy - Startseite (Universität Bremen)
• SCIAMACHY - Monitoring the Changing Earth's Atmosphere (Das SCIAMACHY Buch zum Download als PDFs, Hrsg. DLR)
• Sciamachy - Startseite (ESA dt.)

Scientific Committee on Oceanic Research (SCOR)

Führende Nichtregierungsorganisation zur Förderung und Koordinierung internationaler ozeanographischer Aktivitäten unter dem Dach des International Council for Science (ICSU).

Weitere Informationen:

• SCOR (ICSU)

SCISAT-1 (SCISAT-I/ACE)

Engl. Akronym für Science Satellite 1; 2003 gestartete, kanadische Satellitenmission zur Untersuchung der Ozonschicht mit Kanada und Arktis als räumlichem Schwerpunkt. Die Messungen werden mit Daten kombiniert, die von boden-, ballon- oder anderen weltraumgestützten Projekten zusammengetragen wurden.

Es befinden sich folgende zwei Hauptinstrumente an Bord des 150 kg schweren Satelliten:

• ACE-FTS (Atmospheric Chemistry Experiment Fourier Transform Spectrometer) - dieses Gerät zeichnet beim Durchgang des Sonnenlichtes durch die Atmosphäre mit Okkultationsmessungen das Sonnenspektrum auf und erlaubt dadurch die Analyse chemische Elemente in der Atmosphäre
• MAESTRO (Measurements of Aerosol Extinction in the Stratosphere and Troposphere Retrieved by Occultation)

SCISAT liefert nicht nur zum Ozonabbau exzellente Daten, sondern auch zur Klimaveränderung, Luftqualität und -verschmutzung. Der Satellit bewegt sich auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn (Inklination 74°) in 650 km Höhe und hat einen Wiederholzyklus von 15 Tagen. Man erwartete ursprünglich eine Einsatzdauer von 2 bis 5 Jahren, im Oktober 2016 war der Satellit noch immer in Betrieb.

Weitere Informationen:

• SCISAT-1 Startseite (CSA)
• SCISAT-1 Profil (CEOS EO Handbook)

SCOR

Siehe Scientific Committee on Oceanic Research

Scout Missions (ESA)

Die Scout-Missionen sind die ersten ESA EOP-Forschungsmissionen, die von wissenschaftlichen Zielen geleitet werden und auf der Grundlage reduzierter Budgets (30 Mio. Euro) entstehen. Daher rührt das Interesse an kleinen Satelliten.

Die Direktion EOP untersuchte die Möglichkeiten, die Kleinsatelliten bieten, und richtete je nach übergeordnetem Ziel drei verschiedene Bereiche für die Durchführung von Missionen ein, nämlich neuartige Erdbeobachtungstechniken in den Geowissenschaften (Scout-Klasse), industrielle Innovation zur Förderung der Wettbewerbsfähigkeit der europüischen Industrie (InCubed-Klasse) oder In-Orbit-Demonstration (IOD) innovativer EO-Techniken, die durch bahnbrechende Technologien wie künstliche Intelligenz ermüglicht werden (Φ-Sat-Klasse).

Die Studie für die erste Reihe von Scout-Missionen wurde 2019 eingeleitet. Die Scout-Mission(en) bestehen aus einem oder mehreren Kleinsatelliten die über die rasche Herstellung von Prototypen mit neuartigen Erdbeobachtungstechniken für die Geowissenschaften und verwandten nichtkommerziellen Anwendungen (möglicherweise in Konstellation) entwickelt werden. Sie könnten eingesetzt werden, um bahnbrechende Sensortechniken oder inkrementelle Wissenschaft zu demonstrieren, wobei das Potenzial für spätere größere Missionen oder in künftigen ESA-Erdbeobachtungsprogrammen geprüft wird.

Vier Scout-Missionen stehen zunächst auf dem Prüfstand:
HydroGNSS, Tango, NanoMagSAT und CubeMAP.

SDGSAT-1

Engl. Akronym für Sustainable Development Science Satellite 1, auch Guangmu 1; ein von der Innovationsakademie für Mikrosatelliten der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hergestellter geowissenschaftlicher Erdbeobachtungssatellit. Guangmu 1 bewegt sich auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn in 500–510 km Höhe, seine Bahn kreuzt den äquator jeweils um 09:30 Uhr Ortszeit von Norden nach Süden. Guangmu-1 wurde im November 2021 vom Kosmodrom Taiyuan aus mit einer Rakete des Typs CZ-6 (Langer Marsch-6) gestartet.

Guangmu – die Bezeichnung des Satelliten leitet sich vom chinesischen Namen des Lokapāla Virūpākṣa (广目天王, „Alles beobachtender Himmelskönig“) ab – ist Teil des am 1. Januar 2018 gestarteten Geowissenschaftlichen Big Data-Projekts der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (地球大数据科学工程 oder CASEarth). Dieses auf fünf Jahre angelegte, von Guo Huadong geleitete und mit der 13. Legislaturperiode des Nationalen Volkskongresses zusammenfallende Projekt zielt darauf ab, die Daten diverser Systeme CHEOS, Yaogan etc.) zusammenzuführen und in einer Cloud der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung zu stellen.

Am 22. September 2020 kündigte Präsident Xi Jinping in einer Rede vor der Generalversammlung der Vereinten Nationen die Gründung eines internationalen Massendaten-Forschungszentrums für nachhaltige Entwicklung an. Vollzogen wurde die Gründung des International Research Center of Big Data for Sustainable Development Goals (可持续发展大数据国际研究中心) ein Jahr später, am 6. September 2021. Die üblicherweise „CBAS“ abgekürzte Einrichtung („Center of Big Data for the 2030 Agenda for Sustainable Development“) ist unter dem Dach des Instituts für Fernerkundung und digitale Geowissenschaften der Chinesischen Akademie der Wissenschaften angesiedelt.

Beijing - aufgenommen von Guangmu 1 Das vom Satelliten SDGSAT-1 aufgenommene Bild zeigt eine Ansicht von Peking, der Hauptstadt von China. Chinas im November 2021 gestarteter Erdbeobachtungssatellit hat nach Angaben seines Entwicklers, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), seine ersten Fernerkundungsbilder zurückgesandt. Mit Hilfe von Wärmebildkameras im Infrarot-, Schwachlicht- und Multispektralbereich hat der Satellit Bilder von mehreren Städten und Regionen aufgenommen, darunter Peking, Shanghai, das Jangtse-Delta, der Namtso-See in Tibet, die Präfektur Aksu in Xinjiang und Paris in Frankreich. Der Low Light Level Imager kann den Grad der sozialen und wirtschaftlichen Entwicklung in einem Gebiet und die Struktur der menschlichen Siedlungen widerspiegeln, indem er die Intensität und Verteilung der nächtlichen Lichter erfasst. Der Satellit SDGSAT-1 ist der weltweit erste Wissenschaftssatellit, der im Dienste der UN-Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung steht. Quelle: CBAS 2021

Der inklusive Treibstoff 753 kg schwere Satellit ist mit drei Kameras ausgestattet, die alle eine Schwadbreite von 300 km besitzen:

• Nachtsichtkamera - Die in China gestarteten Erdbeobachtungssatelliten dienen mit der Kartografierung von Bodenressourcen, Wetterbeobachtung etc. in erster Linie der wirtschaftlichen Entwicklung des Landes. Guangmu soll wissenschaftliche Daten über die Interaktion von Mensch und Umwelt liefern. Eine gut geeignete Dimension für die Beurteilung menschlicher Aktivität ist Lampenlicht. Während die üblichen Erdbeobachtungssatelliten meist bei Tageslicht Aufnahmen machen, kann Guangmu mit seiner Nachtsichtkamera mit einer Auflösung von 10 m (panchromatisch) bzw. 40 m (Farbaufnahmen) die Lichterzeugung an Haupt- und Nebenstraßen von Städten und Gemeinden sowie das Lampenlicht in einzelnen Wohnvierteln dokumentieren. Durch das relativ breite Spektrum von 430–900 nm kann die Kamera zwischen dem Licht von Glühlampen, Leuchtröhren, Quecksilberdampflampen, LED-Leuchtmitteln und anderen Lichtquellen unterscheiden. Mit seinem Dynamikumfang von 1:1000 (etwa dem einer Kompaktkamera) kann der Sensor der Nachtsichtkamera auch in der Polarnacht, nur unter Ausnutzung des von Schnee und Eis reflektierten Mondlichts, klare Aufnahmen machen und so für den gesamten Erdball Indizes für menschliche Besiedlungsmuster und wirtschaftliche Aktivitäten liefern.
• Infrarotkamera - Die Kamera für thermische Infrarotstrahlung besitzt eine räumliche Auflösung von 30 m. Die Kamera ist mit einem integrierten Infrarotfilter ausgestattet und arbeitet in den drei Spektralbändern 8-10,5 μm, 10,3-11,3 μm und 11,5-12,5 μm. Die Temperatur-Auflösung beträgt 0,5 °C, sie kann Objekte auf der Erdoberfläche in einem Temperaturbereich von −50 °C bis +70 °C klar abbilden. Mit dieser Kamera sollen unter anderem die Temperaturunterschiede zwischen historischen Altstädten und Neubaugebieten untersucht werden.
• Multispektralkamera - Mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung lebt in einem etwa 200 km breiten Streifen entlang der Meeresküsten. Daher beobachtet Guangmu mit seiner Multispektralkamera in sieben Frequenzbändern die Wasserqualität der Küstengewässer und auch der Gewässer im Inland. In den von der Kamera genutzten Spektren können Ausbrüche von Grünalgen, Cyanobakterien sowie Roter Flut (red tide) präzise vermessen und Warnungen vor einer Veränderung der Wasserqualität ausgegeben werden. Die Multispektralkamera besitzt eine Auflösung von 10 m.

Weitere Informationen:

• China's Earth science satellite transmits images home (CBAS 2021)
• Guangmu

Sea Launch

Sea Launch war ein internationales Raumfahrtprojekt zur Vermarktung von Raketenstarts von einer speziell adaptierten Bohrplattform in Äquatornähe. Formaler Betreiber des Systems war eine gleichnamige Schweizer Aktiengesellschaft mit Sitz in Nyon.

Gegründet wurde die Firma 1995 von einem internationalen Firmenkonsortium aus Boeing (verantwortlich für Nutzlasten und Starts), RKK Energija (Hersteller der Block DM-Oberstufe), SDO Yuzhnoye/PO Yuzhmash (Herstellung der Zenit) und Aker Kvaerner (verantwortlich für die Startplattform "Odyssey" und das Kommandoschiff "Sea Launch Commander").

Gestartet wurde von 1999 bis 2014 mit Zenit-3SL-Trägerraketen; dabei handelte es sich um eine Zenit-2 mit Block-DM-Oberstufe und einigen Modifikationen für den Start von See aus. Insgesamt wurden mit dieser Rakete 33 Nutzlasten mit Massen von bis zu sechs Tonnen in Geotransferorbits (GTO) befördert. Die Sea-Launch-Schiffe wurden an den russischen Verkehrskonzern S7 Group verkauft, der sie nach Russland verlegte.

Infolge des Konflikts zwischen Russland und der Ukraine sind keine Zenit-Raketen mehr verfügbar. Nach einem Insolvenzverfahren befand sich die Firma Sea Launch AG seit 2010 im Mehrheitsbesitz von Energia Overseas Ltd., einer Tochterfirma des russischen Raumfahrtkonzerns RKK Energija. Im September 2016 wurde die Übernahme durch die russische S7 Airlines angekündigt.

Die Firma startete fast ausschließlich Kommunikationssatelliten, und zwar vom Äquator aus bei 154° w.L., etwa 2.200 km südlich von Hawaii. Da alle Kommunikationssatelliten in einer äquatorialen geostationären Bahn umlaufen, ist man so in der Lage, die Flugbahn der Trägerrakete mit Hilfe der Erdrotation zu optimieren. Die Rotationsgeschwindigkeit der Erde stellt in Äquatornähe schon einen gehörigen Teil der für einen Orbit nötigen Geschwindigkeit bereit, so dass die Rakete weniger Leistung aufbringen muss. Auch wird der Satellit direkt in die Umlaufbahn auf Äquatorebene gebracht, was eine längere Lebensdauer (größere Restmengen an Treibstoff für Kurskorrekturen) und größere Nutzlasten ermöglicht.

Sea Launch Links: Sea Launch Plattform mit Zenit-Trägerrakete und Sea Launch Commander im Hafen Rechts: Start von DirecTV-1R (2008) Quelle: Sea Launch

Russlands Kosmodrome sind jedoch alle weit vom Äquator entfernt, so dass man sich überlegte, wie man trotzdem mit der günstigen Zenit wettbewerbsfähig starten konnte. Nach den ersten Studien 1993 entstand 1995 das Projekt Sea Launch. Die nächsten 4 Jahre wurden zum Aufbau der Infrastruktur genutzt. So wurde das Kommandoschiff "Sea Launch Commander" gebaut und aus einer ausgedienten Ölbohrplattform entstand die Startplattform "Odyssey". Der Heimathafen von sowohl "Sea Launch Commander" als auch "Odyssey" befindet sich in Long Beach, Kalifornien. Einige Wochen vor einem Start wird die Zenit-Rakete in einen Hangar auf der Startplattform geladen, danach fahren sowohl das Schiff als auch die Startplattform zu einer Stelle im Pazifik. Kurz vor dem Start wird die Rakete aufgerichtet und die Startmannschaft wechselt auf die "Sea Launch Commander". Der Start selbst erfolgt ferngesteuert von der dann unbemannten Startplattform. Zusätzlich zu der sich auf der Startplattform befindenden Rakete kann die "Sea Launch Commander" weitere Raketen transportieren. Davon wird jedoch kein Gebrauch gemacht, da die Startrate relativ niedrig ist, und so für beide Schiffe genug Zeit bleibt, um in den Heimathafen zurückzukehren. Gestartet wird mit der Zenit-3SL, einer Zenit-2 mit Block DM-Drittstufe und einigen Modifikationen für den Start von See aus. Der Erstflug mit einem Dummy-Satelliten fand 1999 statt, der erste kommerzielle Flug folgte noch im selben Jahr.

Im April 2005 wurde der mit über 6.000 kg bislang schwerste Kommunikationssatellit gestartet.

Sea Launch ist nicht die erste im Meer verankerte Startplattform. In den 70er Jahren wurde vor der Küste Kenias die San-Marco-Plattform zum Start von Scout- und Höhenforschungsraketen verankert. Von der Hubinsel "Barbara" erfolgten zu Beginn der 1970er Jahre einige Raketenerprobungen im Auftrag der Bundeswehr.

Sea Surface Temperature (SST)

Engl. für Meeresoberflächentemperatur; mit Fernerkundungsmethoden wird die SST aus 2-Kanal-Messungen im THIR (10 und 12 Mikrometer bei Tag, sowie 3,7 und 10 Mikrometer bei Nacht) oder im Mikrowellenbereich berechnet.

Das Wasser absorbiert die von der Sonne eingestrahlte Energie und gibt sie wieder als Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich von 1.000-1.200 Nanometer ab. Satelliten wie METEOSAT oder NOAA-AVHRR haben Sensoren an Bord, die für diese Wellenlängen empfindlich sind. Durch Eichverfahren kann die registrierte Strahlungsdichte in Grad Celsius umgerechnet werden. Die Werte der SST beziehen sich auf die obersten 2-3 cm der Wasseroberfläche, die relative Genauigkeit ist besser als 1 Grad.

Die Meerestemperatur bestimmt das Vorhandensein von Plankton (kaltes Wasser bindet mehr Sauerstoff und bietet bessere Voraussetzung für Plankton), das als Nahrung für Fische dient. Algenwachstum wird dagegen durch warmes Wasser begünstigt. Meeresströmungen transportieren kaltes bzw. warmes Wasser (Golfstrom) und beeinflussen wesentlich das globale Klima.

Über die SST ist auch das ENSO-Phänomen (El Niño-Southern Oscillation) aus dem Weltraum beobachtbar: ENSO äußert sich in einer Umkehr der normalerweise von der Westküste Südamerikas nach Westen gerichteten Meereströmung, so daß stark erwärmtes Oberflächenwasser vom Pazifik an die amerikanischen Küsten getrieben wird und dort das kalte sauerstoffreiche Wasser des Humboldstroms verdrängt. Starke Niederschläge sind die Folge. El Niño-Southern Oscillation ist besonders gut in Karten der Temperaturabweichung vom Normalzustand deutlich. Aufgrund des Wärmeausdehnungseffekt sind diese lokalen Temperaturschwankungen auch sehr gut in Karten der Höhenauslenkung der Meeresoberfläche erkennbar. Zur Verdeutlichung der Effekte werden meist Differenzkarten zum mittleren Zustand dargestellt. Neben der Oberflächentemperatur ist auch die Meeresoberflächenauslenkung vom Satelliten aus messbar.

Sea-viewing Wide Field-of-View Sensor (SeaWiFS)

SeaWiFS ist ein inzwischen inaktiver Sensor zur Ermittlung der Ozeanfarbe und damit zur Untersuchung der Primärproduktion im Meer sowie den Interaktionen zwischen ozeanischen Ökosystemen und Atmosphäre. Ferner dient er der Beobachtung von El Niño im Pazifik, von Waldbränden, Staubstürmen oder der Entwicklung von Hurrikanen.

Pflanzen auf Land und im Ozean (Phytoplankton) enthalten Chlorophyll, ein grünes Pigment, das sie während der Photosynthese einsetzen. Mit Hilfe von Satellitensensoren kann man die Chlorophyll-Konzentration auf Land, im Ozean und in Seen messen und damit die Verteilung und die Dichte der Vegetation angeben. Da zudem das tierische Leben überwiegend auf der Vegetation als Nahrungsgrundlage beruht, benutzen Wissenschaftler diese Bilder als Dokumentation der irdischen Biosphäre insgesamt.

Seastar-Satellit mit dem SeaWiFS-Sensor Quelle: NASA

SeaWiFS befand sich an Bord des SeaStar-Satelliten, der 1997 in seine sonnensynchrone Umlaufbahn in 705 km Höhe gebracht wurde. SeaWIFS bestand aus einem optischen Scanner und einem Elektronikmodul. Seine räumliche Auflösung beträgt 1,13 km, die Anzahl der Bänder 8, und zwar mit Wellenlängen von 402-885 nm.

SeaWiFS hat am 10. Dezember 2010, nach mehr als 13 Betriebsjahren, seinen Dienst aufgegeben.

Die globale Biosphäre im Zeitraum von September 1997 bis August 1998 Orthographische Projektion Legende: Quelle: NASA

SeaWiFS-Daten sind auf einer Reihe von Webseiten frei zugänglich, wobei die wichtigste Seite das Ocean Color Web der NASA ist. Dort werden auch weitere Missionen vorgestellt, die sich mit Ozeanfarbe befassen.

Weitere Informationen:

• SeaWiFS Project - Startseite (NASA, GSFC)

SeaHawk-1

SeaHawk ist ein sehr kleiner Satellit, der die Farbe des Ozeans und die Ökosysteme der Küsten überwachen soll. Er misst nur 10 mal 10 mal 30 Zentimeter und fliegt in einer polaren Umlaufbahn in einer Höhe von 585 Kilometern. Die Mission wurde durch private Zuschüsse finanziert und die Hardware wurde von einem Team der University of North Carolina, Wilmington, dem Skidaway Institute of Oceanography, Cloudland Instruments und AAC-Clyde Space gebaut und verantwortet. NASA-Wissenschaftler halfen bei der Entwicklung und haben seitdem daran gearbeitet, die Daten mit anderen Ozeanfarbendatensätzen zu verschneiden.

Nach Angaben des langjährigen NASA-Ozeanforschers Gene Feldman wollte das Team zunächst beweisen, dass es möglich ist, wissenschaftlich fundierte Daten über die Farbe des Ozeans mit einem CubeSat zu sammeln. Nachdem dies im vergangenen Jahr gelungen ist, hat das SeaHawk-Team seine Ziele höher gesteckt. Es will nun beweisen, dass es in der Lage ist, an mehreren aufeinanderfolgenden Tagen Beobachtungen desselben Wasserbereichs zu sammeln.

HawkEye-Aufnahmeserie der Westküste Australiens 4. März - 8. März 2022 Quelle: NASA Earth Observatory (April 2022)

Die obigen Bilder in natürlichen Farben wurden vom 3. bis 8. März 2022 mit dem HawkEye-Sensor an Bord des SeaHawk-Cubesats aufgenommen. Obwohl sich die Umlaufbahn von SeaHawk um die Erde jeden Tag um einige Längengrade ändert, konnten die Missionsbetreiber denselben Abschnitt der australischen Küste an sechs aufeinanderfolgenden Tagen beobachten, indem sie den Satelliten bei jedem neuen Überflug leicht neigten.

Winziger Tänzer: Der SeaHawk CubeSat in der Umlaufbahn SeaHawk kann sich um drei Achsen drehen, so dass er Ziele auch dann anvisieren kann, wenn sich die Sonde nicht direkt über der Erde befindet. Auf diese Weise kann derselbe Bereich der Erde an aufeinanderfolgenden Tagen aus verschiedenen Winkeln aufgenommen werden. Quelle: NASA Earth Observatory (April 2022)

Früher hielten es die Wissenschaftler für ausreichend, ja geradezu revolutionär, alle paar Tage großflächige Bilder des Ozeans aufzunehmen. Sie begannen, den Ozean in großem Maßstab zu sehen und die großen Muster und Rhythmen zu skizzieren. Aber heute wollen sie feine Details, bemerkte Feldman. Früher reichte es aus, zu sagen: "Der Ozean blüht um diese Jahreszeit mit Phytoplankton", wollen die Wissenschaftler heute sehen, was täglich, manchmal sogar stündlich, passiert, da sich die Bedingungen schnell ändern. Im Falle giftiger Algenblüten in Küstengewässern oder Binnenseen sind solche Informationen wichtig für die Sicherheit von Mensch und Fischerei. Tägliche Messungen können auch für Forscher nützlich sein, die von Schiffen aus ein bestimmtes Gebiet oder sogar ein sich bewegendes Element im Ozean untersuchen.

Andere Satelliteninstrumente zur Ozeanbeobachtung - wie der Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS), das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) oder das Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) - können jeden Tag einen Großteil des Ozeans beobachten. Da sie jedoch direkt auf den Planeten blicken, kann die Reflexion des Sonnenlichts auf dem Wasser (sunglint) die Unterscheidung von Farben und Merkmalen erschweren. Durch die Beobachtung aus einem bestimmten Winkel hat SeaHawk diese Lichteffekte beseitigt.

Der winzige HawkEye-Imager auf SeaHawk beobachtet außerdem mit einer wesentlich höheren räumlichen Auflösung als MODIS und VIIRS - bis zu zehnmal mehr Details. Außerdem ist der Imager auf die einzigartigen Lichteigenschaften des Ozeans kalibriert, der in der Regel dunkler ist als das Festland. Diese Unterschiede führen oft dazu, dass andere Imager Details an der Küste erfassen, während im Wasser kaum etwas zu erkennen ist.

SeaHawk-1 Ocean Color Cubesat, ausgestattet mit HawkEye Ocean Color Sensoren, wurde am 3. Dezember 2018 an Bord des SpaceX Spaceflight SSA-O SmallSat Express mit einer Falcon IX-Trägerrakete von der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien gestartet. SeaHawk-1 mit dem HawkEye-1 Ocean Color Sensor war einer von 64 Satelliten an Bord dieser Rideshare-Mission.

Weitere Informationen:

• SeaHawk/HawkEye (NASA/GSFC)
• The Little Satellite That Could (NASA Earth Observatory 2022)
• SeaHawk Mission Proves CubeSats Are a Viable Option for Collecting Credible Scientific Data (NASA Earthdata)

Search and Rescue (SAR) Instruments

Instrumente an Bord verschiedener Satelliten (z.B. NOAA-L) zur Aufspürung von Notfallsignalen.

Seasat

Erster Satellit der NASA zur Beobachtung der Weltmeere mit Mikrowellensensoren. Der 2300 kg schwere Seasat, der im Juni 1978 gestartet wurde und im Oktober 1978 aufgrund eines Kurzschlusses seinen Dienst versagte, befand sich auf einer 769 km × 799 km hohen Umlaufbahn mit 108° Äquatorneigung. Er trug fünf Sensoren: ein Radaraltimeter, ein Scatterometer, ein SAR, ein Radiometer für den sichtbaren und den infraroten Bereich sowie ein abtastendes, mehrkanaliges Mikrowellenradiometer. Damit kann Seasat als Wegbereiter für Missionen wie TOPEX/Poseidon, QuikSCAT oder Jason gelten. Eine verbesserte Version des Radaraltimeters wurde auf dem Satelliten Geosat eingesetzt.

Die Daten betrafen folgende Parameter: meeresoberflächennahe Winde, Meeresoberflächentemperaturen, Wellenhöhen, interne Wellen, Strömungen, Gezeiten, marines Geoid, Wassergehalt der Atmosphäre, Meereischarakteristik und Ozeantopographie.

Zu den Ergebnissen der Mission gehörten auch die Entdeckung von Kanälen unter dem Urwald von Guatemala, die den Mayas die Landwirtschaft zur Versorgung ihrer großen Städte erlaubte. Auch konnte Seasat konnte die von getauchten U-Booten erzeugten Wellen mit seinem SAR-Radar nachweisen.

Weitere Informationen:

• Seasat - About the Mission (NASA JPL)

SeaWinds

Instrument auf den inzwischen inaktiven Satelliten QuikSCAT und ADEOS-II zur Messung der oberflächennahen Winde über den eisfreien Ozeanen hinsichtlich Stärke und Richtung. Es kann auch für bestimmte Anwendungen auf Land und für Meereisanwendungen eingesetzt werden. Seine räumliche Auflösung beträgt 25 km.

SeaWinds ist ein Scatterometer genanntes Radarinstrument, mit dem hochfrequente Mikrowellenimpulse (13,4 Gigahertz, Ku-Band) zur Meeresoberfläche ausgesandt und die reflektierten (backscattered) Radarstrahlen vom Satelliten gemessen werden. Das Instrument ertastet mit den Mikrowellen die vom Wind verursachten Rippeln auf der Meersoberfläche. Die Stärke der Rückstreuung ist abhängig von der Rauigkeit der Wasseroberfläche. Diese ist stark korreliert mit der oberflächennahen Windgeschwindigkeit und -richtung. Daher können die Wissenschaftler die Windrichtung und -stärke aus diesen Informationen berechnen, gewöhnlich bezogen auf 10 m Höhe.

SeaWinds benutzt eine rotierende Schüsselantenne, deren Strahlenbündel auf dem Boden eine Kreisbewegung vollziehen. Dabei bestreifen sie eine 1.800 km breite Bodenspur. Derartige Instrumente vermögen ein Vielfaches an Datenmaterial zusammenzutragen als es mit Bojen und Schiffen möglich wäre, und sie liefern die Daten kontinuierlich, genau, mit hoher Auflösung und wetterunabhängig. Täglich fallen ca. 400.000 Messungen von 90 % der Erdoberfläche an.

Das SeaWinds-Instrument auf QuikScat war von 1999 bis 2009 in Betrieb. Die nahezu identische Version auf ADEOS-II lieferte von Dezember 2002 bis Oktober 2003 Daten zur Erde. Zur Zeit (2014) sind von Seiten der EUMETSAT zwei Exemplare der polarumlaufenden MetOp-Serie mit Scatterometern (ASCAT) im operationellen Betrieb. Sie arbeiten im C-Band (ca. 5 GHz).

Taifun Olga am 1.8.1999 dokumentiert durch SeaWinds Die starken Oberflächenwinde des Taifuns Olga, erkennbar an den spiralförmigen Linien, befinden sich mit ihrem Kern über dem Chinesischen Meer südlich von Südkorea. Olga begann als tropische Depression bei den Philippinen und zog nordwärts bis zu seinem Übertritt auf Land in Korea. Dort richtete er beträchtliche Zerstörungen an. Gleichzeitig wird der NE-Pazifik von einem persistenten Hoch dominiert, dessen antizyklonale Drehrichtung starke küstenparallele Winde vor Kanada und den USA bedingt. Nördlich der Antarktis sind drei Gruppen sehr intensiver Winterstürme auszumachen. Quelle: NASA

Weitere Informationen:

• SeaWinds on ADEOS II (NASA, JPL)
• Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (NASA, JPL)
• Scatterometry (COAPS)
• SeaWinds Profil (CEOS EO Handbook)

Seegangsfehler

Engl. sea state bias; bei der Satellitenaltimetrie auftretender Effekt, der das Radarecho über dem Meeresspiegel durch Seegang verfälscht, da bei Seegang nicht alle vom Radarsignal getroffenen Flächenelemente zu dem gleichen Rückstreukoeffizienten führen. Der Seegangsfehler besteht im wesentlichen aus dem elektromagnetischen Bias. Weitere Fehleranteile werden durch das Altimeter selbst und die Analyse des Radarechos verursacht. Der Seegangsfehler wird empirisch, und zwar proportional zur signifikanten Wellenhöhe bestimmt. Typische Faktoren für Seasat-Radar, Geosat und ERS-1 liegen zwischen drei und sieben Prozent. Bei TOPEX/POSEIDON wurden auch lineare oder quadratische Abhängigkeiten von der Windgeschwindigkeit berücksichtigt.

Seevermessung

Seevermessung ist zum einen die topographische Aufnahme des Meeresbodens und der Wattflächen, zum anderen die Ortsbestimmung von unbewegten Objekten auf See über und unter dem Wasser. Die Aufnahme des Meeresbodens und der Wattflächen ist dabei die Aufgabe der Seevermessung im engeren Sinne. Zur Vermessung gehören die Erfassung, die Auswertung, die Modellierung und die Präsentation der Morphologie, die Beschaffenheit und Gestalt des Bodens. Das eigentliche Aufgabenfeld ist vielseitiger. Daneben sind aber vor allem auf dem Seegrund Objekte aufzunehmen, die für die Schifffahrt von Bedeutung sind (z.B. Wracke). Die Seevermessung ist somit ein Teil der Geomatik (Geodäsie und Geoinformatik).

Die topographische Aufnahme des Meeresbodens und einzelner Objekte auf dem Meeresboden ist eine wesentliche Voraussetzung für die sichere und wirtschaftliche Schifffahrt. Aber auch für andere Aufgaben bilden die Vermessungsergebnisse wichtige Grundlagen (z.B. Küstenschutz, Umweltschutz, Meereskunde, Wasserbau, Archäologie).

Für die Messung der Tiefe werden in der Regel Vertikalecholote verwendet. Für bestimmte Gebiete ist es erforderlich, flächendeckend zu vermessen. Für solche Zwecke kommen Fächerlote zum Einsatz, die eine Überdeckung des Seegrundes von einem mehrfachen der Wassertiefe erreichen.

Der U.S. Geological Survey sammelt mit Hilfe eines Forschungsschiffes Daten, um den Meeresboden und die darunter liegenden geologischen Verhältnisse zu kartieren. Differential Global Positioning Systeme (DGPS) leiten das Schiff und die Position der Ausrüstung.

Meeresboden-Kartierung (USGS, Woods Hole) Ein einstrahliges Echolot misst die Wassertiefe und liefert ein kontinuierliches Profil des Meeresbodens unter dem Schiff. Dabei sendet und empfängt ein 3,5-kHz-Profiler Schallpulse, die ca. 5 - 10 m in den Meeresboden eindringen. Ein interferometrisches Bathymetrie-Sonarsystem misst die Wassertiefe und die Intensität des vom Meeresboden reflektierten Schalls; dazu sendet ein am Schiffsrumpf befestigter Messwertwandler (transducer) einen Schallfächer aus, der vom Meeresboden reflektiert und am Wandler wieder empfangen wird. Beim Verfahren der hochauflösenden Reflexionsseismik sendet eine hinter dem Schiff hergezogene Schallquelle Akustikpulse, die vom Meeresboden und darunter liegenden Schichten reflektiert werden. Ebenfalls nachgeschleppte Hydrophone oder in die Schallquelle eingebaute Hydrophone empfangen die zurückkommenden Signale. Seitensichtsonar-Systeme (sidescan-sonar systems) auf einem nachgeschleppten Fahrzeug senden Schallfächer aus und zeichnen die Intensität des reflektieren Schalls an beiden Seiten des Fahrzeugs auf. Die Reflexionen liefern ein Bild des Meeresbodens und Informationen über die Sedimenttypen. Quelle: USGS

Allen Echolotsystemen liegt das Prinzip der Laufmessung eines Schallsignals zugrunde. Der Sender (Schwinger) des Echolotes strahlt einen Ultraschallimpuls aus. Die Schallwellen werden an der Gewässersohle reflektiert und von dem Schwinger, der auch gleichzeitig als Empfänger dient, wieder empfangen. Die Laufzeit der Schallwellen wird gemessen und bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls durch Wasser kann die Wassertiefe ermittelt werden.

Bei der Single-Beam-Echolotung (Vertikalecholotung) wird der Gewässergrund unter dem Schiff mit einem lotrecht ausgesandten Einzelstrahl abgetastet. Da die gemessenen Wassertiefe von der Wasserschallgeschwindigkeit abhängig ist, muss sie vor jeder Messung ermittelt und am Echolot eingestellt werden. Sie ist in erster Linie von Temperatur und Salzgehalt abhängig und bewegt sich zwischen 1400 m/sec und 1550 m/sec.

Bei diesem Verfahren werden anhand vorgegebener Profile Linien in Längs- und Querrichtung abgefahren. Der Linienabstand wird je nach Aufgabenstellung so gewählt, dass ein Peilgebiet mit vertretbarem Aufwand abgearbeitet werden kann.

Bei der Fächerecholotung sendet der Schwinger fächerartig mehrere Messstrahlen (Beams) gleichzeitig quer zur Bewegungsrichtung des Schiffs aus. Bei der Messfahrt wird ein Streifen abgedeckt, dessen Breite vom Öffnungswinkel und von der Wassertiefe abhängig ist. Um zu streng lotrechten Tiefen zu gelangen, müssen alle Schiffbewegungen erfasst werden. Daher ist ein Bewegungssensor, der die Hub-, Roll- und Stampfbewegungen (Heave, Roll, Pitch) des Schiffes ermittelt, in das Messsystem integriert. Zur Orientierung der Fächerrichtung ist weiterhin ein Kreiselkompass in das System eingebunden. Mit Hilfe der Fächerecholotung erhält man hoch auflösende Geländemodelle.

Hochaufgelöste Informationen über den Meeresboden um Schottland unter Verwendung von Fächerecholoten sind von Wissenschaftlern, Schifffahrtsbehörden und von Privatfirmen zusammengetragen worden. Die Methode sammelt hauptsächlich Tiefeninformationen, die die Gestalt des Meeresbodens enthüllen, aber sie kann auch akustische Bilder der physischen Eigenschaften des Meeresbodens liefern, die für detaillierte und genaue geologische Karten des Meeresbodens verwendet werden. Der britische Geologische Dienst hat für die meisten seiner jüngeren Untersuchungen die Fächerecholot-Technologie eingesetzt.

Die Informationen sind nicht nur für Meeresingenieure von Bedeutung, sondern z.B. auch für Meeresbiologen, die die Lebensräume von Meereslebewesen besser kartieren können.

Grafik: Computer-simulierter 'Flug' durch die Firth of Forth-Brücken aus Fächerecholot-Daten

Die Daten für das folgende Bild wurden aus einem kleinen Gebiet des Firth of Forth im Bereich der Straßen- und Eisenbahnbrücken zusammengetragen. Durch die Verwendung von 'Fly-through'-Software kann der Meeresboden im Detail studiert werden, um geologische Eigenheiten wie das anstehende magmatische Gestein zu identifizieren. Die Bilder zeigen deutlich, wie die Architekten diesen Gesteinsausbiss nutzten, um den beiden Brückenkonstruktionen ein gutes Fundament zu bieten. Die tiefe Rinne (bis 65 m Tiefe) im Zentrum des Meeresarms (firth) wurde vom Eis ausgeschürft, als dieses während der letzten Eiszeit (vor über 10.000 Jahren) die Landschaft bedeckte.

Material, das von den Gletschern transportiert wurde, formte Sedimentrücken oder Endmoränen an der Frontseite des Gletschers, wenn seine Ausdehnung in einem Stillstand verharrte. Diese Moränen sind erkennbar an der meerwärtigen Seite der Forth-Brücke. Jüngere Sedimentbewegungen durch Strömungen und Gezeiten sind am Meeresboden in Gestalt von Rippelmarken erkennbar. In Gebieten mit steilen Hängen oder wo die Sedimente durch menschliche Aktivitäten gestört wurden, zeigen sich submarine Hangrutschungen. Auch weitere Hinweise auf menschliche Nutzung der Meeresumwelt, wie z.B. Schiffswracks, sind in den Sonarbildern deutlich erkennbar.

Computer-simulierter 'Flug' durch die Brücken am Firth of Forth aus Fächerecholot-Daten Quelle: The Scottish Government

Weitere Informationen:

• Seevermessung (BSH)
• WHSC Sea-Floor Mapping (USGS HWSC)

Segmentierung

Engl. segmentation, franz. segmentation (d'image); nach DIN 18716 die "Zerlegung von Bilddaten in zusammenhängende Bereiche, für die gewisse Einheitlichkeitsbedingungen erfüllt sind", verbunden mit der Anmerkung: "Bei einer Segmentierung können auch die geometrischen Eigenschaften der Segmente (z. B. Form) berÜcksichtigt werden".

In anderer Formulierung: Die Erzeugung von inhaltlich zusammenhängenden Regionen durch Zusammenfassung benachbarter Pixel oder Voxel entsprechend einem bestimmten Homogenitätskriterium.

Sehfeld

Engl. field of view, franz. champ d’observation; nach DIN 18716 der "quer zur Scanrichtung gemessener Öffnungswinkel, unter dem ein Sensor Strahlung erfasst", verbunden mit der Anmerkung: "Die Projektion des Sehfeldes auf die Erdoberfläche entspricht der Schwadbreite".

Seitensichtradar

Engl. side-looking radar, franz. radar à visée latérale; in einer Ebene senkrecht zur Flugzeugachse gerichtetes abbildendes Radarsystem, das ein die Echozeit messendes, aktives Linienabtastsystem darstellt und das Gelände seitlich des Flugweges aufnimmt. Durch Parallelbefliegung können Stereobildpaare erzeugt werden.

Weitere Informationen:

• Das Seitensichtradar (SEOS)

Senkrechtaufnahme

Engl. vertical view, franz. (prise de) vue verticale; (Luftbild)Aufnahme mit nahezu lotrechter Aufnahmerichtung, das Ergebnis ist ein Senkrechtbild. Bei einer Senkrechtaufnahme ist die Nadirdistanz kleiner oder gleich 3°.

Die senkrechte Ausrichtung der optischen Achse führt dazu, dass die durch die zentralperspektivische Abbildung bedingten Reliefversetzungen im Zentralbereich des Bildes klein sind. Zum Rande des Bildes hin sind jedoch auch Hausfassaden und andere seitliche Teile erhabener Objekte zu sehen (radiale Bildversetzung). Für viele Anwendungen, z.B. bei der Erzeugung von Orthophotos, ist diese Eigenschaft eher hinderlich. Daher wird, sofern die Bildüberlappung groß genug ist, nur auf die Zentralbereiche des Bildes zurückgegriffen.

Die Senkrechtaufnahme ist von großer Bedeutung für die Geofernerkundung, da mit ihr systematisch große Areale photographisch zu Kartierzwecken aufgenommen werden. Hier ist besonders die Auswertung von Stereo-Luftbildpaaren zu erwähnen.

Senkrecht- und Schrägluftaufnahme Für die meisten Kartierungsanwendungen werden vertikale Luftbilder (links) benötigt. Eine Senkrechtaufnahme wird durch eine Kamera im Boden eines Luftfahrzeuges erstellt. Das daraus resultierende Bild ist kartenähnlich und hat einen über den gesamten Bildbereich annähernd konstanten Maßstab. Vertikale Luftbilder für die Kartierung werden in der Regel so aufgenommen, dass sie sich in Flugrichtung um mindestens 60 % überlappen. Zwei aufeinanderfolgende Fotos können ein Stereopaar bilden und so 3D-Messungen ermöglichen. Schrägaufnahmen (rechts) entstehen, wenn die Achse der Kamera nicht senkrecht steht. Der Maßstab eines Schrägbildes variiert vom Vordergrund zum Hintergrund. Dieser Maßstabsunterschied erschwert die Messung von Positionen anhand des Bildes. Dennoch können Schrägaufnahmen z. B. für die Betrachtung von Gebäudeseiten nützlich sein. Quelle: Principles of Remote Sensing

Sensor

Engl. sensor, franz. capteur; im allgemeinen technischen Sprachgebrauch bezeichnet der Begriff jede Art von Funktions- oder Bauelement das eine physikalische Größe wie Druck, Temperatur, Lichtintensität oder Beschleunigung in elektrische Signale umwandelt. Häufig wird deshalb auch von "Messgrößenaufnehmer" gesprochen.

Im Sprachgebrauch der Fernerkundung ist der Begriff 'Sensor' wesentlich schärfer definiert und bezeichnet ein Nutzlastelement auf einem Satelliten, einem Flugzeug, einem Ballon oder einer anderen Fernerkundungsplattform zur Ausführung einer bestimmten Fernerkundungsaufgabe, d.h. zur Sammlung von Daten über Erdprozesse oder atmosphärische Komponenten.

So ist beispielsweise AVHRR einer der Sensoren auf den Satelliten der NOAA-TIROS-Serie. Der Begriff 'Instrument' wird häufig synonym zu 'Sensor' verwendet, obwohl 'Sensor' eigentlich nur das sensitive Element (z.B. CCD-Chip) bezeichnet. Bei strenger Unterscheidung beinhaltet das Wort 'Instrument' das ganze System inklusive Optik und Datenauslesung.

DIN 18716-3 definiert: "Ein Sensor der Fernerkundung ist ein Instrument, das elektromagnetische Strahlung empfängt und so in Signale umwandelt, dass daraus ein Bild erzeugt werden kann. Als Sensoren der Fernerkundung werden vor allem eingesetzt

• die Kamera zur photographischen Aufnahme
• der Scanner zur Datenaufnahme durch Abtastung
• das Radarsystem zur Aufnahme nach dem Radarprinzip."

Herbert J. Kramer definiert den Begriff 'Sensor' wie folgt: "An instrument (generic term), usually consisting of optics, detectors, and electronics that collects radiation and converts it to some other form. The form may be a certain pattern (an image, a profile, etc.), a warning, a control signal, or some other signal."
Da Fernerkundungssensoren, im Gegensatz zu den In-Situ-Messverfahren, keinen direkten Kontakt zum zu erkundenden Objekt (z.B. Erdoberfläche, Atmosphäre, Wolken etc.) haben, werden räumliche Verteilung (Textur) und/oder Eigenschaften wie Intensität, spektrale Eigenschaften oder Polarisation der Strahlung gemessen. Demnach muss ein Fernerkundungssensor folgende Eigenschaften besitzen:

• Radiometrische Definition: Die Lichtintensität eines bestimmten Punktes des untersuchten Objektes muß vom Sensor eindeutig einem Meßwert zugeordnet werden.
• Spektrale Definition: Jeder Wellenlängenbereich der von einem sichtbaren Punkt des untersuchten Objekts reflektierten bzw. emittierten Strahlung muß vom Sensor eindeutig gemessen werden können.
• Räumliche Definition: Jeder sichtbare Punkt des untersuchten Objektes muß separat und mit einer eindeutigen geometrischen Beziehung angebildet werden.

Unterscheidungsmerkmale von Sensorsystemen beziehen sich z.B. auf die verwendete Optik bzw. Antenne. Deren Wahl legt die Größe der beobachteten Region und die räumliche Auflösung fest. Die verwendeten Halbleiterdetektoren sind für unterschiedliche Spektralbereiche ausgelegt, und der Bahnverlauf des Satelliten (Orbit) bestimmt die Überflugszeiten und Wiederholraten sowie ebenfalls den Beobachtungsbereich.

Bei den drei Gruppen von Sensoren können sich Höhenunterschiede und Projektionsart ganz unterschiedlich auf die Bildgeometrie auswirken:

• Photographische Systeme bilden die Erdoberfläche in Zentralperspektive ab. Höher gelegene Geländepunkte, d.h. Punkte oberhalb einer zu wählenden Bezugshöhe, werden dabei in Senkrechtbildern von der Bildmitte radial nach außen versetzt (und umgekehrt) wiedergegeben.
• Scanner-Systeme ergeben - ideale Flugbahnen vorrausgesetzt - eine Mischprojektion aus paralleler (in Flugrichtung) und zentraler Projektion (senkrecht zur Ebene). Demnach werden höher gelegene Punkte (im Gegensatz zur Photographie) senkrecht zur Flugrichtung nach Außen versetzt.
• Radar-Systeme weisen ebenfalls eine gemischte Projektion auf: In der Flugrichtung liegt eine Parallelprojektion vor; senkrecht zur Bildebene eine Schrägentfernungsprojektion in der höher gelegene Geländepunkte, die ja von der ausgesandten Wellenfront zuerst getroffen werden, zum Flugweg hin versetzt erscheinen.

Jeder Sensor ist für Strahlung in einem bestimmten Bereich des elektromagnetischen Spektrums empfindlich. Für die meisten Fernerkundungsanwendungen sind Daten mehrerer Spektrahlbereiche nützlicher als die nur eines Bereichs. Daher wendet man unterschiedliche Techniken an, um mit einem Multispektralsensor Daten gleichzeitig in mehreren Spektralbereichen zu erfassen.

Die überwiegende Anzahl der Sensoren basiert auf der Halbleitertechnologie, wie beispielsweise CCD (Charge-Coupled Device) und CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) Chips, die bei Digitalkameras eingesetzt werden, oder einzelnen Photodioden wie die Indium-Gallium-Arsenid Photodiode (InGaAS), die Lawinenphotodiode (SPAD), die hauptsächlich in Lasersystemen eingesetzt werden.

Grundsätzlich wird zudem zwischen "aktiven" und "passiven" Sensoren unterschieden:

Aktive Sensoren wie beispielsweise SAR, Radar-Altimeter oder LIDAR senden selbst Strahlung zum Objekt und messen den zum Sensor zurückreflektierten Anteil. Passive Sensoren beobachten entweder die vom Objekt selbst emittierte Strahlung (meist in den Spektralbereichen des Infraroten oder der Mikrowellen) oder vom Objekt reflektiertes Sonnenlicht.

Beispiel-Bildpaar:

Das folgende Bildpaar verdeutlicht einige der Unterschiede zwischen passiven und aktiven Sensoren. Die obere Abbildung ist ein Luftbild der Amundsen-Scott-Forschungsstation am Südpol.

Das untere Bild zeigt das gleiche Objekt, in etwa aus gleichem Beobachtungswinkel und vergleichbarem Größenmaßstab, aufgenommen mit dem kanadischen RADARSAT. Dieser Satellit setzt das aktive Radar-Verfahren ein.

Das Bild enthüllt eine verlassene Gebäudegruppe (links unterhalb der hellen Kuppel), die inzwischen vom Schnee bedeckt und im Foto nicht erkennbar ist.

Passive vs. aktive Sensoren Quelle: NASA Earth Observatory

Bild-Sensoren erzeugen gleichzeitig mit der Aufnahme elektromagnetischer Strahlung ein Bild. Das Bild entsteht in der Fokalebene eines Objektivs und wird auf photographischem Film oder durch ein Flächenarray von Detektoren erfasst.

Photographische Aufklärungssensoren sind in ihrer einfachsten Form Kamerasysteme mit großen Brennweiten. Je größer das Objektiv ist, umso kleinere Objekte können aufgespürt werden. Derartige Systeme beinhalten heute eine Vielfalt komplizierter Elektronik, um bessere Aufnahmen zu gewährleisten. Aber auch solche Systeme benötigen wolkenlose Sicht, gute Lichtverhältnisse und einen starken Farbkontrast zwischen dem Zielobjekt und seiner Umgebung. In der Regel werden heute die Aufnahmen digitalisiert, zu einer Bodenstation geschickt und dort aus dem elektronischen Code rekonstruiert.

Scannende Sensoren nutzen einen Detektor oder eine Detektorzeile, um Daten in einem dynamischen Vorgang aufzunehmen. Solche Daten können anschließend zu einem Bild zusammengefügt werden.

Daneben gibt es weitere Begriffe, die spezielle Klassen von Sensoren bezeichnen, z.B. abbildende Spektrometer, Sounder, etc.

Weitere Informationen, u.a. Sensor- bzw. satellitenspezifische Suchmöglichkeit nach Satellitenbildern über eine Liste der Sensoren bzw. Satelliten:

• Remote Sensors - Current, Future and historic Missions (NASA EARTHDATA)
• Catalogue of Satellite Instruments (The Earth Observation Handbook)
• Visible Earth - A catalog of NASA images and animations of our home planet
• Remote Sensors (Earthdata NASA)
• The Earth Observation Handbook - CEOS Mission, Instruments and Measurements Database Online (CEOS / ESA)
• Measurements - Übersicht über verschiedene Bereiche, in denen Messungen durchgeführt werden: Land, Atmosphäre, Ozeane, Eis und Schnee (CEOS EO Handbook)
• Airborne Sensors - aktuelle Liste von Sensoren für Luftfahrzeuge mit Beschreibungen (eoportal)
• Satellite Missions Database - aktuelle Liste der Satellitenmissionen mit Beschreibungen der Sensoren (eoportal)

Sentinel Hub

Cloudbasierter Prozessierungsservice, der einen beispiellosen Zugang zu globalen Archiven von Satellitendaten bietet. Sentinel Hub bietet eine schnelle Verarbeitung auf der Grundlage der Cloud-Technologie. Dieser innovative Ansatz wird große Auswirkungen auf die täglichen Arbeitsabläufe von Innovatoren, Entwicklern, Wissenschaftlern und vielen anderen haben, da die flexible Lösung von Sentinel Hub für jede GIS- und Webanwendung verwendet werden kann.

Europäische Satelliten allein erfassen täglich Dutzende von Terabytes an Erdbeobachtungsdaten, weshalb es einen offensichtlichen Bedarf an einer effektiven Zugriffs- und Verwaltungsmöglichkeit für diese Datenflut gibt. Sentinel Hub bietet hierfür eine Lösung, indem es die komplexen Herausforderungen des Herunterladens, Archivierens und Verarbeitens von Petabytes (PB) an Rohdaten übernimmt und vollständige globale Archive von Satellitendaten über Webservices zur Verfügung stellt. Dadurch können sich Endbenutzer mehr auf die Datenanalyse und die Lösungsentwicklung konzentrieren, anstatt sich mit der Aufbereitung der Daten befassen zu müssen.

Weitere Informationen:

• Sentinel Hub EO Browser - Startseite
• Quick tutorial on Sentinel Hub (YouTube)

Sentinel-1

Erste in einer Serie von europäischen Umweltsatelliten-Missionen im Rahmen des Programms Copernicus (vormals GMES, Global Monitoring for Environment and Security), einer Initiative der Europäischen Kommission und der ESA mit dem Ziel, nachhaltig ein europäisches Netzwerk zur Erfassung und Auswertung von Umweltdaten zu erstellen. Der zunächst in zwei Exemplaren, um ein Jahr zeitversetzt verfügbare Sentinel-1 soll helfen, Umweltereignisse auf der ganzen Welt zu beobachten und zu analysieren. Ziel der Sentinel-1 Mission ist die lückenlose Beobachtung der globalen Landmassen, Packeisgebiete und Hauptschifffahrtswege mindestens alle 12 Tage (1 Satellit) bzw. 6 Tage (2 Satelliten). Die Herausforderung bei der Betriebsoptimierung liegt darin, eine lückenlose Abdeckung der Beobachtungsgebiete mit nur 25 % Betriebszeit des Instrumentes zu erreichen.

Dazu werden mindestens sieben Jahre lang die zwei rund 2,2 Tonnen schweren Sentinel-1 Satelliten die Erde in 700 km Höhe umrunden. Sentinel-1A wurde am 3. April 2014 mit einer russischen Sojus-Trägerrakete vom Europäischen Weltraumhafen Sinnamary/Kourou in Französisch-Guyana gestartet, und der zweite Satellit Sentinel-1B folgte am 25. April 2016. Er umrundet die Erde auf einer identischen polaren Umlaufbahn, jedoch um 180 Grad zeitversetzt. Damit verdoppelt sich die Aufnahmekapazität.

Die folgende Infografik gibt einen Überblick über die Copernicus Sentinel-1-Mission und ihre Leistungsfähigkeit.

Infografik zur Radarbildkonstellation Sentinel-1 Quelle: ESA

Als Hauptinstrument dient ein abbildendes Radar vom Typ SAR (Synthetic Aperture Radar), das von Airbus Defence and Space (vormals Astrium) in Immenstaad gebaut wurde. Die Umlaufbahn führt die Satelliten bei jedem Umlauf über die Erdpole, so dass das Radar-Instrument die Erde "streifenweise" abtasten kann, während diese sich unter ihm dreht. Hierbei kann das „Radarauge“ ein Gebiet von bis zu 400 Kilometern Breite auf einmal überblicken und Objekte bis zu fünf Metern Größe erkennen.

Das im C-Band arbeitende aktive Radar aus einer 12,30 × 0,90 Meter großen Hauptantenne, die sich aus 560 miteinander gekoppelten Einzelantennen zusammensetzt. Der C-Band-Radarstrahl mit sechs Zentimetern Wellenlänge dringt durch Wälder und Buschwerk bis auf den Erdboden und nimmt Bewegungen und Veränderungen der Erdoberfläche im Zentimeterbereich wahr. Mit der aus 280 Einzelantennen bestehenden aktiven Antenne können große Gebiete schnell abgedeckt werden. Im Fokus stehen dabei Eisbeobachtungen in den Polarregionen, vulkanische Aktivitäten, Erdbeben, Erdrutsche, Überschwemmungen, das Aufspüren von Bodensenkungen und -hebungen sowie das Beobachten von Meeresoberflächen, um Behinderungen durch Meereis und Ölverschmutzungen frühzeitig zu erkennen.

Das abbildende Radar an Bord von Sentinel-1A sendet schwache Radarstrahlung zur Erde, die an der Oberfläche reflektiert wird. Die Stärke der Reflektion wird am Satelliten gemessen und ist im wesentlich abhängig von der Art der Oberfläche und der Topographie. Um Oberflächen noch besser unterscheiden zu können werden die Radarstrahlen vor Aussenden durch Filter geschickt. Diese lassen nur vertikale oder horizontale Anteile durch (horizontal oder vertikal polarisiert). Ebenso verhält es sich dann beim Empfang - die Daten werden vor Empfang wieder gefiltert. Dies führt zu Unterschieden in der Helligkeit und damit zu einer besseren Unterscheidbarkeit der Objekte am Boden.

Wenn man diese unterschiedlich polarisierten Daten verschiedenen Farben im Rot-Grün-Blau Spektrum zuordnet, können aus den eigentlich "schwarz-weißen" Radarbildern farbige Bilder wie im Beispiel unten (Raum Bodensee) entstehen.

Als dauerhafter Datenlieferant unterstützt Sentinel die Aufklärung und Einsatzunterstützung in Katastrophenfällen. Überall dort, wo aktuellste Informationen in kürzester Zeit benötigt werden, können Bilddaten bereits innerhalb von 60 Minuten zur Verfügung gestellt werden. Das ist eine deutliche Verbesserung gegenüber bisherigen SAR-Systemen.

Das Radarinstrument kann in vier verschiedenen Beobachtungsmodi arbeiten, so kann Sentinel-1 auf die unterschiedlichsten Anforderungen reagieren:

1. Strip-Map-Mode: 80 km breite Streifen mit einer Auflösung von 5×5 Meter
2. Wide-Swath-Mode: 250 km breite Streifen mit einer Auflösung von 5×20 Metern
3. Extrawide-Swath-Mode: 400 km breite Streifen mit einer Auflösung von 100×25 Metern
4. Wave-Mode: 20x20 km umfassende Aufnahmen mit einer Auflösung von 20×5 Metern

Durch seine Radartechnik kann Sentinel-1 unabhängig von Tageszeit, Wetter und anderen, für optische Systeme störende Einflüsse (z.B Rauch), operieren und damit schnell Informationen liefern.

Mindestens sieben Jahre lang soll Sentinel-1 die Erde von seinem Orbit beobachten. Sentinel-1 wurde konzipiert, um als Nachfolger der inzwischen inaktiven Satelliten ERS und Envisat die Kontinuität in der radar-getragenen Erdbeobachtung zu gewährleisten.

Beispielbild - Bodensee und Umgebung

Das folgende Bild von Sentinel-1A zeigt den Bodensee. Es wurde am 10. Mai 2014 im interferometrischen 'wide swath'-Modus mit zweifacher Polarisation aufgenommen. Den verschieden reflektierten Radarpulsen wurden unterschiedliche Farben zugeordnet. Gebäude erscheinen pink, Vegetation ist grün. Gebiete mit der geringsten Reflektanz bei allen Polarisationsvarianten erscheinen dunkel, wie Wasserflächen.

Zum Zeitpunkt der Aufnahme wurde das Radarinstrument noch kalibriert, aber dieses Bild gab bereits einen ersten Eindruck von der Art Bilder, die für Copernicus zu erwarten sind.

Der See ist das Ergebnis der erosiven Kraft des Rheingletschers während der vergangenen Kaltzeit. Er besitzt eine Fläche von 540 km² und ist für große Teile SW-Deutschlands eine bedeutende Trinkwasserquelle.

Unten rechts erkennt man die Mündung des Alpenrheins, gegenüber der Insel Lindau auf der N-Seite. Um eine Verlandung der Bregenzer Bucht zu verhindern und die heutige Küstenlinie zu erhalten, wurde die Mündung des kanalartig ausgebauten Alpenrheins in den Bodensee "vorgestreckt" und nach Westen ausgerichtet. Der Rhein verlässt im W den See.

Der Bodensee hat drei Anliegerstaaten: Deutschland im N, die Schweiz im S und Österreich im O. Auf der Wasserfläche sind allerdings keine Grenzlinien festgelegt. Etwas nördlich der deutschen Uferlinie in der rechten Bildhälfte liegt die Start- und Landbahn des Friedrichshafener Flughafens.

Bodensee und Umgebung Quelle: ESA

Probleme von Sentinel-1B und Ende der Mission

Am 23. Dezember 2021 trat bei Copernicus Sentinel-1B eine Anomalie auf, die mit der Stromversorgung der Instrumentenelektronik der Satellitenplattform zusammenhing und dazu führte, dass der Satellit keine Radardaten liefern konnte. Seitdem hatten die Betreiber und Ingenieure des Satelliten intensiv daran gearbeitet, das Problem zu beheben. Leider haben die ESA und die Europäische Kommission trotz aller gemeinsamen Bemühungen das Ende der Mission von Sentinel-1B bekannt gegeben. Copernicus Sentinel-1A ist weiterhin voll einsatzfähig, und es gibt Pläne, Sentinel-1C so bald wie möglich zu starten.

Sentinel-1C und Sentinel-1D

Das dritte Instrument für die Sentinel-1-Satellitenserie wurde von Airbus fertiggestellt. Weltpremiere hat ein neuer Trennmechanismus, der helfen soll, Weltraumschrott zu vermeiden. Das C-Band-Radar für den Copernicus-Satelliten Sentinel-1C ist nun auf dem Weg zu den Anlagen von Thales Alenia Space in Rom, Italien, wo es integriert und getestet werden wird. Der Start des Satelliten ist für das Jahr 2024 geplant.

Das neue Radarinstrument für Sentinel-1C ist weitgehend identisch mit den beiden Vorgängermodellen, weist aber eine Besonderheit auf, eine von Airbus patentierte Erfindung, die zum ersten Mal eingesetzt wird. Sie besteht aus Lötstellen an den wichtigsten Verbindungspunkten zum Satelliten, die bei starker Erwärmung schmelzen und die Radarantenne von der Satellitenplattform trennen. Beide Teile sind dann getrennt der vollen Reibungshitze ausgesetzt und verglühen beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre am Ende der nominellen Lebensdauer des Satelliten von 7,25 Jahren früher und schneller. 

Der Start von Sentinel-1D ist für 2024 vorgesehen.

Weitere Informationen:

• Sentinel-1 (ESA Bulletin 131)
• Sentinel-1 - Radar Vision for Copernicus (ESA 2014)
• Copernicus: Sentinel-1 (eoPortal Directory)
• Sentinel-1 (ESA Sentinel Online)
• Copernicus: Sentinel-1 (ESA)
• Sentinel-1 (CEOS EO Handbook)
• Sentinel-1 Applications (ESA)
• Sentinel-1 SAR User Guide (ESA)
• Daten der Mission Sentinel-1: Deutschlandkarte zeigt Verschiebungen der Landoberfläche (ESA / BGR)
• Sentinel-1 and AI reveal 75% of fishing vessels not tracked (ESA 2024)

Sentinel-2

Zweite in einer Serie von europäischen Umweltsatelliten-Missionen im Rahmen des Programms Copernicus, einer Initiative der Europäischen Kommission und der ESA mit dem Ziel, nachhaltig ein europäisches Netzwerk zur Erfassung und Auswertung von Umweltdaten zu erstellen. Sentinel-2 ist die optische Mission in diesem Programm und besteht aus zwei baugleichen Satelliten, Sentinel-2A und Sentinel-2B, die getrennt voneinander gestartet und, um 180 Grad versetzt, in dieselbe Umlaufbahn eingebracht wurden. Alle fünf Tage decken beide Satelliten den weltweiten Zustand der Landoberflächen und ihrer Vegetation zwischen 84 Grad nördlicher und 56 Grad südlicher Breite ab.

Sentinel-2 Infographik Zur Feier des fünfjährigen Jubiläums von Copernicus Sentinel-2 - mit dem Start von Sentinel-2A am 23. Juni 2015 - hat die ESA eine spezielle Infografik zur Mission erstellt. Die Infografik hebt wichtige Fakten und Errungenschaften der Mission nach den ersten fünf Jahren ihres Betriebs hervor. Quelle: ESA

Die Mission Sentinel-2 liefert optische Daten in hoher Auflösung, die als Grundlage für operationelle Dienste in den Bereichen Landwirtschaft (Landnutzung und -bedeckung, Ernteprognosen, Wasser- und Düngerbedarf), Forstwirtschaft (Bestandsdichte, Gesundheitszustand, Waldbrände), Überwachung von Gewässern, Raumplanung, und Katastrophenmanagement dienen. Er wird biophysikalische Größen beobachten, etwa den Chlorophyll-Gehalt und den Wassergehalt von Blättern sowie den Blattflächenindex. Zeitnahe Aufnahmen von Überschwemmungen, Vulkanausbrüchen und Erdrutschen tragen zur Erstellung von aktuellen Karten bei Naturkatastrophen bei.

Sentinel-2 hat ein Instrument mit einem Erfassungsbereich von 290 km, einer räumlichen Auflösung von 10 bis 20 m und 13 optischen Kanälen (vom fast sichtbaren bis zum kurzwelligen Infrarotbereich) an Bord und wird mit höherer Qualität an die jetzigen Missionen Spot und Landsat anknüpfen. Verbesserungen sind bei Überflugfrequenz, Schwadbreite, Erfassungsreichweite, Zahl der Spektralbänder, Kalibrierung und der Bildqualität zu erwarten. 

Der 1,1-Tonnen schwere Sentinel-2A startete im Juni 2015 mit einer VEGA-Trägerrakete von Kourou aus, am 7. März 2017 folgte Sentinel-2B, ebenfalls von Kourou aus. Sentinel-2C und -D sollen ab 2022 folgen.

Beide Satelliten werden die Erde in 786 Kilometern Höhe auf einer sonnensynchronen Bahn umkreisen, so dass er die gleichen Gebiete immer zur gleichen Ortszeit überfliegt. Wegen der dadurch immer gleichen Beleuchtungsverhältnisse ist das die ideale Voraussetzung, um qualitative und quantitative Veränderungen der Erdoberfläche auf den Bildern feststellen zu können. Zentrales Element von Sentinel-2 ist der Multispectral Imager (MSI) – das Auge der Umweltsatelliten. Die hochauflösende Kamera generiert optische Bilder im sichtbaren, nahen und kurzwelligen Infrarotbereich in 13 Spektralkanälen. Diese Kanäle liegen im Bereich vom sichtbaren Blau  (440 Nanometer) bis zum kurzwelligen Infrarot (2190 Nanometer), mit einer Pixelauflösung von bis zu zehn Metern. Drei Spektralkanäle davon sind primär für eine Atmosphärenkorrektur von Wolken-, Wasserdampf- und Aerosol-Einfluss ausgelegt und liefern Daten mit 60 m großen Pixeln.

Das Instrument MSI liefert kontinuierlich Aufnahmen in einem 290 km breiten Abtaststreifen  – deutlich mehr als bei Landsat (185 Kilometer) oder SPOT (120 Kilometer). Die Kombination aus hochauflösenden Spektralkanälen, einem großen Sichtfeld und einer regelmäßigen weltweiten Abdeckung alle  zehn (Sentinel-2A) beziehungsweise fünf Tage (Sentinel-2A/B) ermöglicht neue Anwendungsperspektiven für Landoberflächen und Vegetation. Nach seiner Inbetriebnahme wird Sentinel-2 die modernste Umweltsatellitenmission für Daten im optischen und nahen Infrarotbereich sein.

Die Nordfriesischen Inseln Die Friesischen Inseln erstrecken sich vom Nordwesten der Niederlande über Deutschland bis in den Westen von Dänemark. Sie sind somit eine Inselgruppe, die in West-, Ost- und Nordfriesische Inseln unterteilt werden. Die Nordfriesischen Inseln – auf diesem Bild sichtbar – erstrecken sich von Deutschland nach Dänemark. Sylt, die größte Insel der Gruppe, ist etwa 100 km² groß und für ihre markante Form der Küstenlinie bekannt. Die Insel erstreckt sich in ihrer Länge über mehr als 35 km und ist an manchen Stellen nur 1 km breit. Diese nördlichste Insel Deutschlands ist durch den 11 km langen Hindenburgdamm mit dem Festland verbunden. Das Wattenmeer, das die Inseln und das Festland voneinander trennt, ist Teil des Nationalparks Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer und seit 1935 Natur- und Vogelschutzgebiet. Südöstlich von Sylt befinden sich die Inseln Föhr und Amrum. Amrum besitzt an ihrer Westküste einen ausgedehnten Strandbereich, der der offenen Nordsee zugewandt ist. Die Ostküste grenzt an das Wattenmeer mit seinen Prielen und Wattbuchten. Bei den drei weißen Inseln unterhalb von Amrum handelt es sich um die Nordfriesischen Barriereinseln. Diese Sandbänke, auch Untiefen genannt, dienen als natürlicher Wellenbrecher für die kleineren, näher am Land gelegenen Inseln. Direkt östlich davon liegt Pellworm. Während sich die dänischen Inseln Rømø, Mandø und Fanø nördlich von Sylt befinden, ist oben links im Bild eine große Algenblüte in Smaragdgrün zu sehen. Diese Naturphänomene, die in den letzten Jahren häufiger in der Nordsee auftreten, entstehen durch übermäßiges Wachstum von Meeresalgen und können schädliche Auswirkungen haben. Aus diesem Grund werden Satellitendaten verwendet, um ihr Wachstum und ihre Ausbreitung zu verfolgen. Das Bild wurde am 1. Juni 2020 von einem der Sentinel-2 Satelliten aufgenommen. Quelle: ESA

Sentinel-2 ist auch in der Lage, ein anderes ESA-Programm, das europäische Datenrelaissatellitensystem (EDRS), zu nutzen. Im Rahmen von EDRS wird ein Netz aus geostationären Laserkommunikationsnutzlasten für die stete Übermittlung von Satellitendaten in der erdnahen Umlaufbahn und eine beispiellos schnelle und sichere Weitergabe der Sentinel-Erdbeobachtungsdaten über die Weltraum-Datenautobahn „SpaceDataHighway“ ermöglichen. Es wird eine zeitnahe Verfügbarkeit von Daten sicherstellen, insbesondere für zeitkritische Anwendung etwa im Bereich der Umweltbeobachtung, Katastrophen und Sicherheits-Missionen.

Die folgende frühe Aufnahme von Sentinel-2A zeigt einige Seen auf der Südseite der italienischen Alpen in Falschfarben. Bei der Bildverarbeitung wurde der hochauflösende Infrarotkanal der Multispektralkamera des Satelliten verwendet um gesunde Vegetaion in rot darzustellen, wie sie auf den Hügeln und Bergen im oberen Bildteil erkennbar sind.

Beispielbild: Norditalien mit den Augen von Sentinel-2A

Das vorliegende Bild, das auch im Programm Earth from Space video programme vorgestellt wird, ist ein Ausschnitt aus der allerersten Aufnahme von Sentinel-2A am 27. Juni 2015, gerade vier Tage nach dem Start. Der Satellit befand sich nach dem Start in einer mehrwöchigen Kommissionierungsphase, die auch das Kalibrieren der Multispektralkamera beinhaltete.

Von der Oberkante des Bildes bis zum unteren Drittel erstreckt sich der südliche Teil des auf glaziale Ausformung zurückgehende Lago Maggiore (max. Tiefe 372 m), das Nordende liegt - hier nicht sichtbar - in der Schweiz. Der See markiert die Grenze zwischen den Regionen Piemont und Lombardei und bedeckt eine Fläche von über 210 km². Sein Ausfluss erfolgt über den Fluss Tessin, der sich im Süden des Bildes am mailändischen Flughafen Malpensa vorbeischlängelt.

Nahe der Bildmitte fällt der durch Gletscher geschaffene See Lago di Varese (max. Tiefe 26 m) auf mit seinem gegenüber den anderen Seen helleren Blau. Dies belegt die Fähigkeit des Satelliten, Unterschiede von binnenländischen Wasserkörpern zu erkennen, eine der Hauptaufgaben der Mission zusammen mit Beobachtungen der Landbedeckung, Land- und Forstwirtschaft.

Norditalien mit den Augen von Sentinel-2A Quelle: ESA

Die Sentinel-2-Mission wird in enger Zusammenarbeit zwischen der ESA, der Europäischen Kommission, der Industrie, Dienstleistern und Datennutzern verwirklicht. An der Entwicklung des Projekts sind rund 60 Unternehmen unter der Federführung von Airbus Defence and Space in Deutschland für die Satelliten und Airbus Defence and Space in Frankreich für die multispektralen Instrumente beteiligt. Airbus Defence and Space in Spanien ist für die mechanische Satellitenstruktur verantwortlich.

Die Daten werden auf unentgeltlicher und offener Basis bereitgestellt. An der Analyse, Verarbeitung und Harmonisierung der Rohdaten werden öffentliche und privatwirtschaftliche Diensteanbieter mitwirken.

Weitere Informationen:

• Sentinel-2 - Colour Vision for Copernicus (ESA)
• Sentinel-2 (ESA)
• Sentinel-2 Operations (ESA)
• Copernicus: Sentinel-2 (ESA)
• Sentinel-2 (CEOS EO Handbook)
• Copernicus: Sentinel-2 (eoPortal Directory)
• Sentinel-2 - MSI User Guide (ESA)

Sentinel-3

Dritte, aus zwei baugleichen Satelliten bestehende Mission in einer Serie von europäischen Umweltsatelliten des Programms Copernicus (vormals GMES), einer Initiative der Europäischen Kommission und der ESA mit dem Ziel, nachhaltig ein europäisches Netzwerk zur Erfassung und Auswertung von Umweltdaten zu erstellen. Die sonnensynchrone polare Umlaufbahn der Satelliten in 815 km Höhe besitzt eine Neigung von 98,6°, die Umlaufzeit beträgt 101 Minuten. Die beiden Satelliten umkreisen die Erde auf einer identischen Umlaufbahn um 180° versetzt.

Die 1150 kg schweren Satelliten messen kontinuierlich die Höhe des Meeresspiegels, die Temperatur der Land- und Meeresoberflächen sowie die unterschiedlichen Chlorophyll- und Schwebstoffgehalte der Meere. Die Messergebnisse dienen sowohl maritimen Vorhersagediensten, z.B. zu Wellenhöhen, als auch der Überwachung der Umwelt und der Gewinnung von Klimadaten. Außerdem können mit den Daten von Sentinel-3 die Meeresverschmutzung, Meeresströmungen und die Wasserqualität erfasst werden.

Über Land messen die Sentinel-3 die Höhe von Flüssen und Seen, liefern Angaben zum Vegetationsstand und erstellen Karten zur Landnutzung. Daran, wie die Vegetation das Licht reflektiert, kann man zum Beispiel zwischen einem gesunden und einem kranken Wald unterscheiden. Darüber hinaus können die Satelliten Waldbrände überwachen oder Lavaströme aufspüren und verfolgen. Eine weitere Aufgabe der Zwillingssatelliten ist etwa das Aufspüren so genannter Hitzeinseln - also lokal begrenzte Temperaturerhöhungen, die über Großstädten entstehen. Ihr Einfluss auf das regionale Klima, sowie der Einfluss des Klimawandels auf die Städte sind bislang noch weitgehend unerforscht.

Wolkenfreie Ansicht von Europa Dieses Mosaik von wolkenfreien Bildern ist aus Szenen zusammengesetzt, die zwischen dem 1. März 2017 und dem 30. Juli 2017 vom Copernicus Sentinel-3A aufgenommen wurden. Das Ocean and Land Colour Instrument (OLCI) an Bord von Sentinel-3A veranschaulicht sowohl das sommerliche Grün in vielen Teilen Europas, als auch die sommerliche Trockenheit in Nordafrika, im Nahen Osten, aber auch in Teilen Spaniens, Italiens und der Türkei. Download-Optionen: JPG (10.23 MB) - TIF (147.10 MB) Quelle: ESA

Sentinel-3A und -3B haben jeweils folgende fünf Instrumente an Bord:

1. Sea and Land Surface Temperature Radiometer (SLSTR)
   Das SLSTR erfasst die Oberflächentemperaturen der Land- und Meeresoberflächen in neun Spektralkanälen (550–12 000 nm) mit einer Genauigkeit bis zu 0,3 Grad Celsius. Die Auflösung beträgt im kurzwelligen Bereich 500 Meter, im thermischen Infrarotbereich einen Kilometer. Das Radiometer arbeitet mit zwei Blickrichtungen (dual-view scan) und beobachtet im Nadir einen Streifen von 1420 km, und in der rückwärtigen Sicht von 750 km Breite.
   Die Daten fließen in eine Vielzahl von Vorhersagemodellen ein. Der Temperatursensor erlaubt eine genaue Bestimmung der Temperatur der Land- und Meeresoberflächen – und zwar regelmäßig und global. Diese finden Verwendung in der Klima- und Wettermodellierung, tragen aber auch zu einer besseren Erfassung von Meeresströmungen bei. Darüber hinaus lassen sich mit diesen Daten Hochtemperaturereignisse wie Waldbrände oder Lavaströme aufspüren und verfolgen. Dazu sind zwei zusätzlich Kanäle optimiert.
2. Ocean and Land Colour Instrument (OLCI)
   Das OLCI generiert Multispektralbilder mit einem breiten Anwendungsspektrum. Es erfasst in 21 Spektralkanälen (400–1020 nm) die Erdoberfläche mit einem sehr breiten Aufnahmestreifen von 1270 Kilometern bei einer räumlichen Auflösung von 300 Metern und einer globalen Abdeckung alle zwei Tage. In die Entwicklung des Gerätes sind die Erfahrungen mit dem MERIS-Instrument von ENVISAT eingeflossen. Die gewonnenen Farbinformationen finden Eingang in verschiedene Datenprodukte.
   Die genaue Erfassung der Oberflächenfarben des Meeres dient der Überwachung der Wasserqualität und der Aufdeckung von Umweltverschmutzungen. Außerdem tragen sie zum Verständnis des Einflusses der Ozeane auf den Kohlenstoffzyklus der Erde bei. Farbaufnahmen der Landoberflächen werden unter anderem zur Dokumentation der Landnutzung und des Vegetationszustandes sowie zur Kartierung von Waldbränden genutzt.
3. Synthetic Aperture Radar Altimeter (SRAL)
   Der Radar-Höhenmesser (Radaraltimeter) arbeitet sowohl im Ku- als auch im C-Band und basiert auf dem Altimeter von CryoSat. Im Synthetic Aperture Radar-Modus (SAR) hat er eine Auflösung von 300 Metern. Durch die Nutzung zweier Frequenzbänder ist es möglich, ionosphärische und troposphärische Beeinflussungen des Radarstrahls zu eliminieren. Die Genauigkeit der Messungen ist über den Ozeanen abhängig von der Wellenhöhe und liegt beim SAR-Modus im Zentimeterbereich.
4. Microwave Radiometer (MWR)
   Die Hauptaufgabe des mit 23.8 & 36.5 GHz arbeitenden MWR ist es, ein Korrektursignal für die Radarsignale des SRAL zu liefern, die durch Wasserdampf in der Troposphäre verfälscht werden. Es kann aber auch zur Aufnahme von Emissions- und Feuchtedaten der überflogenen Landflächen dienen oder Eisflächen charakterisieren.
5. POD (Precise Orbit Determination)
   Das Instrumentenpaket besteht aus einem GPS-Empfänger, einem Laser-Retroreflektor und DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite), einem Gerät, das die Signale eines speziellen Sendernetzes auf der Erde auswertet. Die genaue Orbitbestimmung im Zentimeterbereich ist nötig, um die Höhenmesser-Daten (SRAL und MWR) richtig auswerten und verarbeiten zu können.

In der folgenden Infografik erfahren Sie mehr über die Copernicus Sentinel-3-Mission. Sie fasst die zahlreichen Anwendungsbereiche zusammen und hebt die verschiedenen Errungenschaften der Mission hervor.

Copernicus Sentinel-3 - Infographik Quelle: ESA

Der erste Sentinel-3-Satellit, Sentinel-3A, startete am 16.02.2016 mit dem Rockot Launcher vom russischen Kosmodrom Plessetsk aus. Zur Vervollständigung der Sentinel-3-Weltraumkomponente wurde am 25. April 2018 der baugleiche Sentinel-3B auf dieselbe Umlaufbahn geschickt. Sein Start erfolgte wieder mit dem Rockot Launcher von Plessetsk aus. Wohl zum letzten Mal kam dabei die russische Trägerrakete Rockot für die ESA zum Einsatz. Die geplante Missionsdauer von Sentinel-3 beträgt sieben Jahre. Die Satelliten-Ressourcen, im Wesentlichen der Treibstoff für die Triebwerke, ermöglichen jedoch eine Verlängerung der Mission um weitere fünf Jahre.

Das folgende Bild, aufgenommen vom Copernicus Sentinel-3A zeigt die Temperatur im Bereich des Hurrikans Matthew am 7.10.2016, 03:13 GMT, als er Florida erreichte. Das Radiometer zur Messung von Land- und Meerestemperaturen auf Sentinel-3A misst die Energie, die von der Erdoberfläche abgestrahlt wird, in neun Spektralbändern. Dies ist ein im thermalen Infrarot aufgenommenes Bild mit einer Auflösung von 1 km.

Die Mission beruht auf der engen Zusammenarbeit zwischen der ESA, der Europäischen Kommission, EUMETSAT, der französischen Raumfahrtagentur CNES, der Industrie, Diensteanbietern und Datennutzern. Die Satelliten wurden von einem Konsortium aus rund 100 Unternehmen unter der Federführung von Thales Alenia Space (Hauptauftragnehmer) aus Frankreich entworfen und gebaut. Airbus Defence and Space (vormals Astrium) wird  wichtige und bereits erprobte Satelliten-Instrumente liefern, z.B. das Mikrowellenradiometer. Anfang Februar 2016 wurde zwischen der ESA und Thales Alenia Space der Bau von zwei weiteren Satelliten der Baureihe vereinbart. Sentinel-3C and -3D stellen damit die Datenkontinuität für das Umweltmonitoring des europäischen Copernicus-Programms bis 2030 sicher.

Weitere Informationen:

• Sentinel-3 Monograph (ESA)
• Sentinel-3 - A bigger picture for Copernicus (ESA)
• ESA's Missions - Sentinel-3 (ESA)
• Copernicus: Sentinel-3 (eoPortal Directory)
• Sentinel-3 (CEOS EO Handbook)
• Sentinel-3 (EUMETSAT)

Sentinel-4

Die vierte Sentinel-Mission ist ebenso wie Sentinel-5 der Beobachtung der Atmosphärenzusammensetzung mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gewidmet. Die Auswertung und Bereitstellung der Daten erfolgt über den Copernicus-Dienst Copernicus Atmosphere Services.

Die Mission Copernicus Sentinel-4 markiert den Beginn einer neuen Ära der Atmosphärenbeobachtung in Europa. Im Gegensatz zum polumlaufenden Copernicus Sentinel-5P wird Sentinel-4 troposphärische Bestandteile über Europa und Nordafrika von einer geostationären Umlaufbahn aus beobachten. Ein Satellit in geostationärer Umlaufbahn scheint sich an einer festen Position am Himmel zu befinden und für Beobachter am Boden unbeweglich zu sein. Die Umlaufdauer entspricht somit der Rotationsperiode der Erde, und der Satellit tastet den ausgewählten Bereich der Erde kontinuierlich ab.

Die Sentinel-4-Instrumente werden auf den geostationären Satelliten Meteosat-Third-Generation Satelliten Meteosat-Third-Generation (MTG) der EUMETSAT mitfliegen und nicht auf eigenen Satelliten. Diese innovative Verbindung zwischen einem geostationären Satelliten der Meteosat-Familie und dem Messinstrument Copernicus Sentinel-4 wird die Messung von Spurengasen in der Erdatmosphäre mit einer zeitlichen Frequenz von etwa 1 Stunde ermöglichen. Die zeitliche Auflösung wird daher zwanzig- bis hundertfach besser sein als bei den derzeitigen LEO-Missionen.

Instrument Sentinel-4/UVN auf MTG-S Quelle: Eumetsat

Für die vier MTG-Imager-Satelliten (ab 2022) steuert die Sentinel-4-Mission das Hauptinstrument Flexible Combined Imagerbei (FCI). Auf den zwei MTG-Sounder-Satelliten (ab 2024) beinhaltet die Sentinel-4-Mission einen abbildenden Thermal-Infrarot-Sounder (IRS) und ein hochauflösendes Spektrometer für den ultravioletten, sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich (UVN). Es dient der kontinuierlichen Überwachung von Spurengasen (v.a. O₃, NO₂, SO₂, HCHO) in der Atmosphäre mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung (8 km), wobei der Schwerpunkt auf troposphärischen Gasen liegt.

Weitere Informationen:

• Sentinel-4 (ESA)
• Copernicus: Sentinels-4/-5 und -5P (ESA)
• Copernicus: Sentinel-4 GEO Component Mission (eoPortal Directory)
• Sentinel-4 (CEOS EO Handbook)
• Heritage Missions (ESA)

Sentinel-5 / -5P

Die Mission Sentinel-5 ist ebenso wie Sentinel-4 der Beobachtung der Atmosphärenzusammensetzung mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gewidmet. Die Auswertung und Bereitstellung der Daten erfolgt über den Copernicus-Dienst Copernicus Atmosphere Services.

Sentinel-5 soll mit gesonderten Instrumenten auf den MetOp-Second-Generation-Satelliten die Erde auf polaren Orbits in ca. 800 km Höhe umkreisen. Mit einer Schwadbreite von etwa 2670 Kilometern wird Sentinel-5 die Erdatmosphäre mit einer bisher unerreichten räumlichen Auflösung von 7x7 Quadratkilometern in Nadirrichtung einmal täglich erfassen und Atmosphären- und Klimaforschern eine präzise Erkennung und Untersuchung von Emissionsquellen ermöglichen.

Das Ziel der Copernicus Sentinel-5-Mission ist es, eine globale Überwachung der wichtigsten Spurengase und Aerosole der Luftqualität mit einer täglichen globalen Wiederholungsperiode zu gewährleisten. Das Hauptinstrument von Copernicus Sentinel-5 wird das UV-VIS-NIR-SWIR-Spektrometer (UVNS) sein, das mit 7 verschiedenen Spektralbändern arbeitet und Verbesserungen bei der Messung der Luftqualität, der Überwachung des stratosphärischen Ozons, der Messung der Sonnenstrahlung und der Überwachung des Klimawandels ermöglicht. Die Beobachtungen werden zur Erweiterung und Ergänzung der Daten des Copernicus-Sentinel-5P-Satelliten verwendet, der seit 2018 Luftqualitätsmessungen durchführt.

Die Mission umfasst ein Spektrometer für den ultravioletten, sichtbaren, nah-infraroten und kurzwellen-infraroten Spektralbereich (UVNS) sowie einen Visible Infrared Imager (VII) und einen Multi-viewing Multi-channel Multi-polarization Imager (3MI). Diese spektralen Daten können u.a. mithilfe des DOAS-Verfahrens für die Erstellung von Spurengaskarten (v.a. O₃, NO₂, SO₂, BrO, HCHO) genutzt werden.

Am 13. Oktober 2017 startete die Mission Sentinel-5 Precursor (Sentinel-5P) auf einem eigenen Satelliten, um die zeitliche Lücke vor dem für 2021 vorgesehenen Start von Sentinel-5 zu überbrücken. Sentinel-5P wird als erster Satellit im Rahmen des Copernicus-Programms die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre erfassen.

Mit seinem einzigen Instrument, dem Spektrometer TROPOMI, eröffnet Sentinel-5P eine völlig neuartige Beobachtung der Atmosphäre, in einer bislang noch nicht gekannten Auflösung. Mit Sentinel-5P kann man insbesondere die Erkenntnisse zur Luftqualität über den großen Städten und ihre Herkunft erweitern und auch Veränderungen, zum Beispiel durch politische Maßnahmen, beobachten. Auch der tägliche Verkehr auf der Straße, auf dem Wasser oder in der Luft hinterlässt in der Atmosphäre Spuren in Form von Stickstoffdioxid, Ozon und anderen Schadstoffen. Mit Sentinel-5P können nun auch kleinere Quellen innerhalb einer Stadt erfasst werden, die die Verkehrs- und Energiemuster von Siedlungen offenbaren.

Die neuen Datenprodukte sind jedoch nicht nur für viele wissenschaftliche Bereiche wertvoll, sondern auch für Unternehmen oder einzelne Bürger. Smartphone-Apps und Internetdienste mit Informationen zur Luftqualität oder Biowetter profitieren künftig von den hochgenauen Daten. Verschiedene Luftschadstoffe beeinträchtigen Risikogruppen wie Asthmatiker, Patienten mit Atemwegserkrankungen oder Herz-Kreislauf-Problemen, Allergiker, ältere Menschen und kleine Kinder. Detaillierte tagesaktuelle Informationen, wie etwa die örtliche Ozonbelastung, können damit wertvolle Hinweise für den Alltag liefern. Die Weltgesundheitsorganisation WHO zählt Luftverschmutzung inzwischen zu den größten Umweltrisiken weltweit.

Airbus Defence and Space war Hauptauftragnehmer dieses von der ESA und den Niederlanden beauftragten Satelliten, der einen kontinuierlichen Datenfluss zur Beobachtung des Ozonlochs und der Verschmutzung der Troposphäre sichern wird, während sich die derzeitigen Klimaüberwachungs-Missionen gleichzeitig ihrem Ende nähern. Sentinel-5P ergänzt die gegenwärtigen Kapazitäten in der polnahen Umlaufbahn. Der 820 kg schwere Satellit wurde von den Eurockot Launch Services an Bord einer Rokot-Rakete von Plesetsk aus ins All getragen.

Weitere Informationen:

• Copernicus: Sentinel-5 (eoPortal Directory)
• Copernicus: Sentinel-5P (eoPortal Directory)
• Sentinel-5 (CEOS EO Handbook)
• Sentinel-5P (CEOS EO Handbook)
• Sentinel-5 (ESA Earth Online))
• Sentinel-5P (ESA)
• Copernicus: Sentinels-4/-5 und -5P (ESA)
• Sentinel-5P brings air pollution into focus (ESA 12/2017)
• Sentinel-5P: Quantensprung in der Atmosphärenbeobachtung (DLR 12/2017)
• Satellites track unusual Saharan dust plume (ESA 2020)
• Sentinel-5 - ESA’s Polar-orbiting Atmospheric Composition Mission (ESA 2020)
• Coronavirus: nitrogen dioxide emissions drop over Italy (ESA)
• Ozone hole goes large again (ESA 2023)

Sentinel-6 / Jason-CS

Die ozeanographische Mission Sentinel-6 besteht aus zwei identischen Satelliten (Jason-CS A und Jason-CS B, resp. Sentinel-6 A und Sentinel-6 B). Es handelt sich um Satelliten-Altimeter im polaren Orbit, die "tiden-freie" Messungen des Meeresspiegels ermöglichen. Die Mission setzt die fast 30-jährige Messreihe des Meeresspiegels aus einem polaren Orbit mit einer Inklination von 66° fort – TOPEX-Poseidon, Jason-1, Jason-2, Jason-3. Sie ist deshalb auch als "Jason-CS" ("Continuity of Service") bekannt und benutzt mit beiden Satelliten auch den alten "Jason-Orbit". Anfang 2020 wurde der Satellit Sentinel-6 A von ESA, NASA, Europäischer Komission, EUMETSAT und NOAA zu Ehren des Erdwissenschaftlers Dr. Michael H. Freilich umbenannt in ‘Sentinel-6 Michael Freilich' (S6MF).

Die zwei identischen Satelliten wurden für eine Lebensdauer in der Erdumlaufbahn von 5,5 Jahren entwickelt. Die Satelliten sollen jeweils mit einer zeitlichen Überlappung von wenigstens 6 Monaten betrieben werden. So wird eine jahrzehntelange Aufzeichnungsreihe bis 2030 gestreckt. Den Betrieb der Sentinel-6 übernimmt EUMETSAT.

Sentinel-6 Michael Freilich Quelle: NASA

Aufgaben von Sentinel-6 Michael Freilich

Da der Anstieg des Meeresspiegels ein Schlüsselindikator für den Klimawandel ist, ist die genaue Beobachtung der sich über Jahrzehnte verändernden Höhe der Meeresoberfläche für die Klimawissenschaft, für politische Entscheidungen und letztlich für den Schutz des Lebens der Menschen in gefährdeten, tief gelegenen Gebieten von entscheidender Bedeutung. Immerhin steigen die globalen Meeresspiegel derzeit um durchschnittlich drei Millimeter jährlich.

Sentinel-6 übernimmt die Rolle einer Referenzmission und setzt damit die Langzeitaufzeichnung von Messungen der Höhe der Meeresoberfläche fort, die 1992 von der französisch-amerikanischen Mission Topex-Poseidon begonnen und dann von der Jason-Serie fortgesetzt wurde. Die sehr präzise Beobachtung der Höhenveränderungen der Meeresoberflächen für mehr als 90 % der Weltmeere gibt ferner Aufschluss über die Geschwindigkeit und Richtung von Meeresströmungen und die in den Ozeanen gespeicherte Wärme. Die gewonnenen Messungen sind entscheidend für die Ozean-Modellierung. Daten zu Meeresströmungen und Wellen sind u.a. in der Schifffahrt von Bedeutung.

Ein weiteres Ziel der Mission ist die Messung von Temperatur und Feuchtigkeit in der Troposphäre. Ferner wird auch die Stratosphäre untersucht. Die atmosphärische Daten verbessern die Wettervorhersagen, helfen bei der Verfolgung von Hurrikanen und unterstützen die Klimamodelle.

Die Missionsdaten werden Verbesserungen sowohl bei kurzfristigen Wettervorhersagen im zwei- bis vierwöchigen Bereich (z.B. Vorhersagen der Hurrikanintensität) als auch bei der langfristigen Vorhersage saisonaler Bedingungen (z.B. El Niño, La Niña) ermöglichen.

Ein Instrument an Bord der Satelliten nutzt die Technik der Radio-Okkultationssondierung des Globalen Navigationssatellitensystems (GNSS), die Veränderungen in den Signalen der Satelliten des GNSS analysiert, um die Lufttemperatur und -feuchtigkeit zu bestimmen.

All diese Erkenntnisse sollen Regierungen und Institutionen in die Lage versetzen, einen wirksamen Schutz für küstennahe Regionen aufbauen zu können. Wertvoll werden die Daten für Katastrophenschutzorganisationen sein, aber auch für Behörden, die Städteplanung betreiben, Gebäudesicherungen vornehmen oder Deichbauten in Auftrag geben.

Ausstattung des Satelliten

Ein Set aus hochpräzisen Ortungsinstrumenten, darunter ein Radar-Höhenmesser und ein Mikrowellen-Radiometer wird den Abstand zur Meeresoberfläche aus 1336 km Höhe auf wenige Zentimeter genau messen und die gesammelten Daten in einem 10-Tages Rhythmus global kartieren.

Zu diesem Zweck bringt Sentinel-6 zum ersten Mal ein Radar mit synthetischer Apertur in die Zeitreihe der Altimetrie-Referenzmissionen ein. Um sicherzustellen, dass keine Verzerrungen in die Zeitreihendaten eingebracht werden, liefert das Radarinstrument gleichzeitig konventionelle Messungen im niedrigauflösenden Modus sowie die verbesserte Leistung des Radars mit synthetischer Apertur, welches hochauflösende Messungen entlang der Flugbahn ermöglicht.

Liste der wissenschaftlichen Instrumente auf Sentinel-6

• Poseidon-4 SAR Radar Altimeter - Radar-Höhenmesser
• Advanced microwave radiometer for Climate (AMR-C) - verbessertes Mehrfrequenz-Radiometer
• Global Navigation Satellite System - globales Navigationssatellitensystem
• Radio Occultation (GNSS-RO) - GNSS-Radiookkultation
• Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS) - auf dem Doppler-Effekt basierendes Zweifrequenz-Mikrowelleninstrument zur präzisen Bahnbestimmung von Satelliten mit integrierter Funkpositionierung.
• Laser Retroreflector Array (LRA) - Eine Anordnung von Spiegeln, die ein Ziel für Laser-Tracking-Messungen vom Boden aus bieten.

Abbildung: Neue Ozeandaten fließen herein

Nach einer sechsmonatigen Test- und Kalibrierungsphase in der Umlaufbahn stellte die Mission Sentinel-6 Michael Freilich am 22. Juni 2021 ihre ersten beiden Datenströme der Öffentlichkeit zur Verfügung.

Die Karte zeigt Anomalien der Meeresspiegelhöhe (3,5 Zentimeter Messgenauigkeit), wie sie vom Radaraltimeter des Satelliten zwischen dem 5. und 15. Juni 2021 gemessen wurden. Rot-orangefarbene Bereiche zeigen Regionen, in denen der Meeresspiegel höher als normal war, und blaue Bereiche zeigen Regionen, in denen er niedriger als normal war.

Mehr als 90 Prozent der Wärme, die durch die zunehmende Konzentration von Treibhausgasen im Erdsystem eingeschlossen ist, werden vom Ozean absorbiert, und diese Wärme führt zu einer Ausdehnung des Meerwassers. Die Ausdehnung des Meerwassers ist für etwa ein Drittel des heutigen Anstiegs des Meeresspiegels verantwortlich, während das Schmelzwasser von Gletschern und Eisschilden den Rest ausmacht. Der Anstieg des Meeresspiegels hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten beschleunigt, und die Forscher erwarten, dass er sich in den kommenden Jahren noch weiter beschleunigen wird.

Neue Ozeandaten fließen herein Quelle: NASA Earth Observatory

Organisation und Bodensegment

Die Mission wird gemeinsam getragen von EUMETSAT, Europäischer Kommission, ESA, NASA und NOAA. Die industrielle Führung obliegt Airbus D&S in Immenstaad. Der Start der jeweils 1,5 Tonnen schweren Sentinel-6 erfolgte im November 2020 bzw. ist für 2026 geplant. Das erste Exemplar wird der erste von der ESA entwickelte Satellit sein, der mit der Rakete SpaceX Falcon 9 - der weltweit ersten wiederverwendbaren Rakete der Orbitalklasse - ins All befördert wird. Sein Startplatz ist der Luftwaffenstützpunkt Vandenberg in Kalifornien.

Am 21.11.2020 erfolgte der Start des ersten Sentinel-6 von der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien aus. Zehn Minuten, nachdem sich die zweite Raketenstufe mit ihrer Fracht von der erste wiederverwendbaren Stufe getrennt hatte, landete letztere wohlbehalten unweit des Startplatzes der Falcon-9.

Die zweite Stufe hielt unterdessen Kurs, um Sentinel-6 etwa eine Stunde nach dem Start in der vorgesehenen Umlaufbahn in einer Hohe von 1300 Kilometern freizusetzen. Von dort schickte der Satellit eine halbe Stunde später die ersten Signale zu einer Bodenstation in Alaska.

Am 22. März 2020 wurde S6MF zum offiziellen Referenzsatelliten für globale Meeresspiegelmessungen Referenzsatelliten für globale Meeresspiegelmessungen und löste damit Jason-3 in dieser Funktion ab. Dies bedeutet, dass die von anderen Satelliten gesammelten Daten über die Meeresoberfläche mit den von S6MF gewonnenen Informationen verglichen werden, um ihre Genauigkeit zu gewährleisten.

Infografik Sechs wichtige Fakten zu Sentinel-6 Quelle: ESA

Weitere Informationen:

• Sentinel-6A (CEOS EO Handbook)
• Jason-CS (Sentinel-6) (JPL/NASA)
• Sea Level Change - Observations from Space (NASA)
• SpaceX- Startseite
• Copernicus in action (ESA)
• Copernicus Sentinel-6 measuring sea levels using radar altimetry (ESA)
• Vandenberg Air Force Base, California (ESA)
• NASA, US and European Partners Launch Mission to Monitor Global Ocean (NASA)
• Sentinel-6 Michael Freilich (NASA)
• Educational Resources on Sea Level Rise (NASA)
• Follow Sentinel-6 Michael Freilich in Real Time As It Orbits Earth (NASA)

Sentinel-Missionen

Nach engl. 'Wächter'; im Rahmen des Programms Copernicus (bis 2012 GMES, Global Monitoring for Environment and Security) von der ESA übernommene Aufgabe zur bedarfsgemäßen Durchführung der Copernicus-Weltraumkomponente, d. h. die Entwicklung der Satelliten der Sentinel-Baureihe und ihres Bodensegments sowie die Koordinierung des Datenzugangs zu diesen Satelliten und anderen Missionen, die überwiegend von den Mitgliedstaaten der ESA initiiert wurden.

Die für eine globale Umweltüberwachung notwendige umfassende und einheitliche Datengrundlage im globalen Maßstab ist ohne Satellitensysteme nicht denkbar. Der Anspruch, einen unabhängigen Zugang zu globalen Erdbeobachtungsdaten zu schaffen, charakterisiert daher die herausragende Bedeutung der satellitengestützten Erdbeobachtung in Copernicus.

Das Herzstück der Weltraumkomponente sind fünf eigens für Copernicus entwickelte Satellitenmissionen, die ESA Sentinels. Gegenwärtig (2015) sind 14 Sentinel-Satelliten geplant. Darüber hinaus werden Sentinel‑4 und Sentinel‑5 als Nutzlasten auf sechs Wettersatelliten mitgeführt werden.

Weitere Missionen erfassen wichtige Daten für die Copernicus Dienste, darunter

• Missionen nationaler Raumfahrtprogramme,
• kommerzielle Missionen 
• sowie die Missionen der Europäischen Organisation zur Nutzung meteorologischer Satelliten (EUMETSAT).

Die Sentinel-Missionen der ESA sind das Ergebnis einer Bedarfsanalyse vor dem Hintergrund bestehender und geplanter Missionen und dem Bedarf der Copernicus Kerndienste. Die Missionen bauen auf erfolgreichen Technologien auf. Sie werden von der ESA entwickelt und zum größten Teil von den ESA Mitgliedsstaaten finanziert. Die Europäische Kommission beteiligt sich an den Entwicklungskosten zu etwa einem Viertel.

Sentinel-1 ist eine wetter- und beleuchtungsunabhängige bildgebende Radarsatellitenmission für Land- und Ozeandienste, Sentinel-2 eine Mission für hochauflösende optische Abbildungen für Landdienste und Sentinel-3 eine Mission zur globalen Überwachung von Ozeanen und Landflächen, ausgestattet mit einem Instrumentenpaket zur Höhenmessung. Der Start von Sentinel-1 erfolgte am 3. April 2014, der von Sentinel-2A am 23. Juni 2015, Sentinel-3A startete am 16.2.2016, Sentinel-5P folgte am 13.10.2017.

Die Missionen Sentinel-4 und Sentinel-5 sind der Beobachtung der Atmosphärenzusammensetzung gewidmet. Die Sentinel-4-Instrumente sollen auf den geostationären Meteosat-Third-Generation-Satelliten (MTG) mitfliegen. Für die MTG-Imager-Satelliten (ab 2017 geplant) steuert die Sentinel-4-Mission den Flexible Combined Imager bei (FCI). Auf den MTG-Sounder-Satelliten (ab 2019) beinhaltet die Sentinel-4-Mission ein Spektrometer für den ultravioletten, sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich (UVN) und einen Thermal-Infrarot-Sounder (IRS).

Sentinel-5 soll auf den MetOp-Second-Generation-Satelliten die Erde auf polaren Orbits umkreisen. Die Mission umfasst ein Spektrometer für den ultravioletten, sichtbaren, nah-infraroten und kurzwellen-infraroten Spektralbereich (UVNS) sowie einen Visible Infrared Imager (VII) und einen Multi-viewing Multi-channel Multi-polarization Imager (3MI). Diese spektralen Daten können u.a. mithilfe des Verfahrens für die Erstellung von Spurengaskarten genutzt werden. Zusätzlich startete im Oktober 2017 der Sentinel-5 Precursor auf einem eigenen Satelliten starten, um die zeitliche Lücke vor dem Start von Sentinel-5 zu überbrücken.

Schließlich ist Sentinel-6 zu nennen, häufiger unter dem Namen Jason-CS (Jason Continuity of Service) geführt. Es handelt sich dabei um eine hochgenaue Mission zur Meerestopographie mit einem zweibandigen Radaraltimeter, einem Mikrowellenradiometer und präzisen Instrumenten zur Bahnbestimmung. Sie soll die Fortsetzung der Vermessung des Meeresspiegels gewährleisten. Der Start des ersten von zwei Exemplaren erfolgte im November 2020. Das Vorläufersystem Jason-3 wurde 2016 gestartet und wird operationell von EUMETSAT betrieben.

Vier Wächter-Satelliten werden eine Weiterentwicklung erfahren (Sentinel-1NG, -2NG, -3NG und -6NG), dazu kommen sechs neue Wächtermissionen (vgl. Tabelle).

Weitere Informationen:

• Sentinel-Missionen Profile (CEOS EO Handbook)
• ESA's Sentinel satellites (ESA)
• Sentinels - Facts and Figures (ESA)
• Sentinel - User Guides (ESA)
• Sentinels - Space for Copernicus (ESA 2019)

SEOS

Engl. Akronym für Science Education through Earth Observation for High Schools; Computer-basierte Plattform mit 15 Lerneinheiten zur Nutzung von Satellitenbildern im naturwissenschaftlichen Unterricht. Die Lerneinheiten liegen in neun Sprachen vor, inkl. griechisch, türkisch und arabisch.

Weitere Informationen:

• SEOS - Startseite (mehrsprachig)

SEOSAT–Ingenio

SEOSAT-Ingenio steht für Satélite Espanol de Observación de la Tierra - dt. Spanischer Erbeobachtungssatellit; Ingenio, span für "Genialität"); der Satellit ist die optische Flaggschiffmission des spanischen Weltraumstrategieplans 2007-2011. Zusammen mit dem Radar-Satelliten PAZ, der am 22. Februar 2018 gestartet wurde, sollte SEOSAT-Ingenio das Programa Nacional de Observación de la Tierra por Satélite (PNOTS) bilden.

Der Start war ursprünglich für 2015 geplant und wurde später auf 2020 verschoben. Der Start am 17.11.2020 misslang. Zusammen mit dem französischen Satelliten TARANIS sollte Seosat mit einer Vega-Startrakete von Kourou aus ins All gebracht werden. Kurz nach dem Start wurde eine Abweichung der Flugbahn festgestellt. Dieser Kontrollverlust sei dauerhaft gewesen. Auslöser sei eine Kabelverwechslung beim Bau der Rakete gewesen. Die Rakete und die beiden Satelliten wurden zerstört.

Das multispektrale Bildmaterial wird für zivile und militärische Zwecke in folgenden Bereichen verwendet: Sicherheit, Landmanagement, natürliche Ressourcen, Grenzüberwachung, Landwirtschaft und Krisenmanagement bei Naturkatastrophen. Zusammen mit dem 2018 gestarteten PAZ-Satelliten wird Spanien über ein duales Erdbeobachtungssystem sowohl für optische als auch für Radarbilder verfügen. Dieser kombinierte Datensatz wird Bilder mit höherer Auflösung und bessere Informationen über unseren Planeten liefern.

Die Informationen von SEOSAT-Ingenio werden von verschiedenen spanischen zivilen, institutionellen und staatlichen Nutzern, aber auch potenziell von anderen europäischen Nutzern im Rahmen des Copernicus-Programms der Europäischen Union und der Group on Earth Observations' Global Earth Observation System of Systems verwendet.

Der Satellit wurde von Airbus D&S (Spain) gefertigt und sollte von der Firma Hisdesat betrieben werden. Die optische Auflösung der sich an Bord befindlichen Kamera soll 2,5 m schwarzweiß und 10 m in Farbe betragen. Außerdem hatte Ingenio drei wissenschaftliche Experimente an Bord:

• Multispectral Imager
• Panchromatic Imager
• Ultraviolet and Visible Atmospheric Sounder

Da sowohl SEOSAT-Ingenio als auch der CNES-Satellit TARANIS für ähnliche Umlaufbahnen in einer Höhe von etwa 700 km bestimmt waren, sollten sie bei diesem Start gemeinsam fliegen. Der Orbit sollte auf einer sonnensynchronen, polaren Umlaufbahn mit einer Bahnhöhe von rund 668 km liegen. Ein VESPA-Nutzlastdispenser, der von Airbus in Madrid für Avio hergestellt wurde, sollte es der Vega ermöglichen, den Doppelstart durchzuführen.

Weitere Informationen:

• SEOSat/Ingenio - Imaging mission of Spain (eoPortal Directory)

SEVIRI

Engl. Akronym für Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager; abbildendes Radiometer an Bord von Meteosat Second Generation (MSG). Der Sensor bietet neue und z.T. einzigartige Möglichkeiten der Wolkendarstellung, der Aufspürung von Nebel, der Ermittlung von Temperaturen an Land-, Meeres- und Wolkenoberfläche sowie der Verteilung von Ozonkonzentrationen.

Das SEVIRI-Instrument ist eine multi-spektrale Kamera, welche die Erde sowohl im sichbaren Licht also auch im Infrarotbereich beobachtet. Das Abtasten der Erde erfolgt mit 3712 Zeilen zu je 3712 Bildpunkten bei elf der zwölf Spektralkanäle. Dies entspricht einer Bildauflösung von 3x3 km² direkt unterhalb des Satelliten. Ein hochauflösender Kanal im sichtbaren Spektralbereich hat sogar 11136 Zeilen zu je 5568 Spalten, dies entspricht 1x1 km² Auflösung direkt unterhalb des Satelliten. Über Mitteleuropa ist die Auflösung etwa um einen Faktor 2 ungünstiger. Die Abtastung der Erde erfolgt immer von Süd nach Nord. Dies dauert ca. 14 Minuten. Danach wird das Spiegelsystem im Satelliten zurück geschwenkt und die nächste Abtastung beginnt. Dadurch ergibt sich eine Bildwiederholrate von 15 Minuten.

Die Spektralkanäle des Radiometers Seviri und ihr jeweiliger Verwendungszweck sind in nachfolgender Tabelle aufgelistet.

Das Aufteilen des elektromagnetischen Spektrums in unterschiedliche Spektralbereiche hat den Vorteil, dass diese Bereiche unterschiedliche Informationen enthalten und dadurch mehr Informationen als aus einem einzelnen Kanal gewonnen werden können. In den sichtbaren Kanälen ist die Intensität abhängig von der Albedo (Reflektivität) des darunterliegenden Objektes. Stark reflektierende Flächen (z.B. Wolken, Schnee) haben eine hohe Intensität und werden weiß dargestellt. Die Kanäle im sichtbaren Bereich können somit Informationen zur Wolkenstruktur liefern. Auf der anderen Seite geben Infrarot-Kanäle Aufschluss über die Temperatur der abstrahlenden Oberflächen. Die Intensität der emittierten Strahlung hängt dabei von der Temperatur der Strahlungsquelle ab, d.h. je wärmer eine Strahlungsquelle ist, desto höher ist die Intensität der emittierten Strahlung (Stefan-Boltzmann-Gesetz für die Strahlung von schwarzen Körpern).

IR-Kanäle liefern einen guten Kontrast zwischen hohen und tiefen Wolken. In den Spektralbereichen der sogenannten Wasserdampfkanäle ist der Wasserdampf für eine hohe Absorption der Strahlung verantwortlich. Dabei stammt die Strahlung von der obersten stark feuchten Schicht in der Atmosphäre. Befindet sich feuchte Luft in den oberen Schichten der Troposphäre werden aufgrund der tiefen Temperaturen niedrige Intensitäten gemessen. Ist die obere Troposphäre trocken, so stammt die gemessene Strahlung von der unteren oder mittleren Troposphäre und weist dadurch höhere Intensitäten auf. Wasserdampfkanäle liefern also Informationen zu den Feuchteverhältnissen der Troposphäre.

Diese große Bandbreite ermöglicht es Meteorologen, über digitale Modelle differenziertere Aussagen zur Wettervorhersage zu machen. Auch trägt die Bildwiederholrate dazu bei, genauere und schnellere Vorhersagen von der Entstehung gefährlicher Phänomene wie Stürme, Gewitter oder Starkniederschlag machen zu können. Beispielsweise können bei drohenden Nebelereignissen Flughäfen 1-2 Stunden vor deren Auftreten gewarnt werden. Die höhere Auflösung von SEVIRI - 1 km gegenüber 2,5 km der alten Meteosat-Reihe - ermöglicht eine präzisere Ortung von Sturmfronten oder Nebelbänken. Auch durch seine 12 Spektralkanäle (4 VIS/NIR, 8 IR) liefert SEVIRI 20mal mehr Informationen als die bisherigen Meteosat-Satelliten.
Hersteller des Instruments waren europäische Firmen unter Führung von Astrium/Toulouse, heute Airbus D&S.

Messprinzip von Seviri Die Strahlung der Erde tritt in das Instrument über eine 50x80 cm große Öffnung ein. Die Erdabbildung wird durch eine zweidimensionale Erdabtastung erreicht, die sich auf die Drehung des Raumschiffs und den Abtastspiegel stützt (siehe Abbildung). Die schnelle Abtastung (Zeilenabtastung) erfolgt von Ost nach West dank der Rotation des Raumfahrzeugs um seine Rotationsachse (Spinrate 100 U/min). Die Rotationsachse steht senkrecht zur Orbitalebene und ist nominell in S-N-Richtung ausgerichtet. Quelle: ESA

Weitere Informationen:

• MSG's Seviri Instrument (ESA Bulletin 111)
• SEVIRI (ESA)
• SEVIRI (CEOS EO Handbook)
  

Sferics

Syn. atmosferics, atmosphärische Impulsstrahlung, AIS; atmosphärische Störung im Langwellenbereich (5 kHz - 10 kHz). Dabei handelt es sich um Impulsstrahlung, die von elektrischen Entladungen (v.a. Gewitterblitze) in der Atmosphäre ausgeht. Geeignete Empfangsanlagen (Peilstationen) zum Nachweis von Sferics können über Häufigkeit, Verbreitung und Lokalität von Gewittern Auskunft geben.

Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)

Eine Space Shuttle-Mission der NASA, die ein C-Band- und ein X-Band-Interferometrie-SAR einsetzte, um topographische Daten von über 80 % der irdischen Landmasse (zwischen 60°N und 56°S) zu erfassen. Die Datenaufnahme erfolgte vom 11.-22.2.2000.

Shuttle Radar Topography Mission Aus den Daten der Radar-Interferometrie lassen sich 3D-Darstellungen erzeugen – das Bildbeispiel zeigt Gibraltar. Über die Höhendaten von SRTM wurden Landbedeckungsdaten von Landsat gelegt. Quelle: NASA / DLR

Shuttle Radar Topography Mission Rot eingezeichnet sind die von dem X-SAR-Interferometer während der Elf-Tage-Mission aufzunehmenden Gebiete. Quelle: NASA / DLR

Shuttle Radar Topography Mission Haupt-Radar (Sender und erster Empfänger) und ausgefahrene „Outboard-Antenne" (zweiter Empfänger) betrachten die Erde im„Stereo-Blick". Dabei wird die Wolkendecke durchdrungen. Quelle: NASA JPL

Die Aufnahmen wurden aus einer Höhe von 233 km gemacht. Pro Sekunde wurden rund 1.700 Mikrowellenpulse zur Erde gesandt. Die Signale wurden von der Erde zurückgestreut und als Radarecho von den Radarsystemen wieder empfangen. Die Bahnneigung der Umlaufbahn gegenüber dem Äquator betrug 57°. Während das Shuttle in seiner Umlaufbahn kreist, drehte sich die Erde weiter - so wurden nach und nach alle Kontinente überflogen.

Üblicherweise bestimmt man die Höhe eines Ortes auf der Erdoberfläche durch den Referenzpunkt NN (Normalnull). Bis man durch viele Messungen (Nivellement) einen Punkt im Landesinneren erreicht hat wird erhebliche Zeit benötigt. Erschwerend kommt hinzu, dass jedes Land seinen eigenen Referenzpunkt bestimmt. Beispielsweise weichen die schweizerischen Höhenangaben um +0,32 m von den deutschen ab. Das bedeutet, dass ein 1.000 m hoher Berg in der Schweiz in Deutschland nur 999,68 m hoch ist.

Bei der SRTM wurde ein gleicher Referenzpunkt für alle Höhenmessungen angenommen. Das bedeutet, dass alle 1.000 m hohen Berge, unabhängig von ihrer geographischen Lage, einheitlich diese Höhe besitzen. Weiterhin wurden innerhalb von nur 12 Tagen selbst die unwegsamsten Regionen (z.B. im Himalaya) erfasst, die bisher nicht oder nur sehr fehlerhaft vermessen waren.

Das Ergebnis der Mission sind Höhenangaben für ganz bestimmte Positionen auf unserem Planeten. Sie können beispielsweise zur Generierung eines digitalen Geländemodells verwendet werden.

Schwachpunkt der Daten ist die Darstellung von Küstengebieten nahe der NN-Marke oder bei Senken, welche unter dem Meeresspiegel liegen. Eine weitere Fehlerquelle sind Eisbedeckungen z.B. auf Gipfeln. Diese werden nicht als Höhe erkannt und bilden Fehlpixel.

Beispielbild: Hardanger-Fjord und Hardangervidda (Norwegen) nach SRTM-Daten

Die norwegischen Fjorde sind steile, durch seewärts wandernde Talgletscher entstandene Meeresarme. Ihre Ausformung vollzog sich nicht alleine durch Gletschererosion, sondern auch durch das unter hohem Druck stehende Schmelzwasser und dessen Sedimentfracht unter dem Eis. Der Grund eines Fjords kann bis über 1000 m unter NN liegen. Der Hardangerfjord ist ca. 179 km lang und erreicht seine maximale Wassertiefe von mehr als 725 m etwa 100 km von der Küstenlinie entfernt.

In dem Bild, das auf Höhendaten basiert, die von der SRTM aufgenommen wurden, stehen beige und gelb für geringe Höhen, wohingegen rot, braun und weiß für zunehmend größere Höhen stehen. Blautöne bedeuten Wasserflächen.

Der Hardangerfjord verläuft links der Bildmitte von SW nach NO, verlässt den oberen Bildrand und kehrt mit einem Seitenarm, dem Sørfjord, von N nach S (etwa Bildmitte) wieder ins Bild zurück. Die rechte Bildhälfte wird vom Hardangervidda eingenommen, ein Plateaufjell und die größte Hochebene Europas mit mittleren Höhen zwischen 1200 m und 1400 m.

Hardanger-Fjord und Hardangervidda (Norwegen) nach SRTM-Daten Quellen: NASA / DLR

Die Auswertung der C-Band-Daten erfolgte beim Jet Propulsion Laboratory, den Vertrieb übernahm das USGS EROS Data Center. Die vom USGS bereit gestellten Daten werden, begleitet von Public-Domain-Software zur Visualisierung (dlgv32Pro), in 2 Versionen angeboten:

• SRTM-1 für die USA mit einer Auflösung von einer Bogensekunde in Länge und Breite bei 3601 und 3601 Pixel.
• SRTM-3 für den Rest der Welt mit einer Auflösung von 3 Bogensekunden bei 1201 x 1201 Pixel.

Die etwas höher aufgelösten X-Band-Daten wurden vom DLR ausgewertet, bei dem auch der Vertrieb liegt. In Deutschland konnte man die SRTM-Daten nur gegen Bezahlung erhalten, die vom USGS vertriebenen Daten gibt es im Internet kostenlos. Das digitale Höhenmodell der SRTM-Mission hat eine Rastergröße von 25 Metern und kann inzwischen kostenfrei heruntergeladen werden. Der Zugang zu den Daten ist über eine EOWEB-Bestellung möglich. Dabei ist die Gesamtfläche des Höhenmodells auf hundert so genannte „Kacheln“ normiert, zu denen die Wissenschaftler des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums (DFD) die Höhenmodell aufbereitet haben. Registrierte Nutzer des EOWEB können diese Datensätze dann von einem separaten FTP-Server herunterladen. Des Weiteren können die SRTM-Daten über einen standardisierten Web Mapping Service (WMS) online direkt in digitale Karten oder Geographische Informationssysteme eingebunden werden.

Mount St. Helens, Washington State (Anaglyphenbild) Am 18. Mai 1980 brach der Mount St. Helens aus und verursachte die schlimmste Vulkankatastrophe in der dokumentierten Geschichte der USA. Ein begleitendes Erdbeben löste die Nordflanke des Vulkans und verursachte mit einer bewegten Masse von 2,8 km3 den größten weltweit jemals beobachteten Erdrutsch. Die Gesteins- und Schlammlawine entlastete den Vulkan von Druck und löste eine gewaltige Explosion aus, die sich überwiegend nordwärts entlud. Der Berg verlor insgesamt 227 m seiner Höhe, 600 km2 Wald wurden verwüstet. Das vorliegende Anaglyphenbild (48 x 30,3 km in der großen Darstellung) kombiniert ein Landsatbild und ein auf SRTM-Daten beruhendes digitales Höhenmodell. SRTM-Höhendaten passen zu der 30m-Auflösung der meisten Landsatbilder. Die Landsatdaten stammen von 1992. Vegetationsarme Gebiete erscheinen in dem eingenordeten Bild hell. Bergsturzmaterial verstopft die nordwärts gerichteten Täler, bildet natürliche Dämme oder vergrößert bereits bestehende. Im Krater ist ein neuer Vulkankegel erkennbar. Quelle: NASA JPL Photojournal

Weitere Informationen:

• Erdmessung mit der SRTM
• Shuttle Radar Topography Mission - Startseite (NASA, JPL)
• SRTM Multimedia (NASA, JPL)

sichtbare Strahlung (VIS)

Der Teil des elektromagnetischen Spektrums, für den das menschliche Auge empfindlich ist, d. h. in einem Wellenlängenbereich von ca. 0,38 bis 0,78 Mikrometer (engl. Abk. VIS für visible radiation). In diesem Spektralbereich wird die Strahlung nur zu einem geringen Teil durch Ozon, Wasserdampf, Aerosol- und Wolkenpartikel absorbiert, so dass sie zu einem großen Teil die Erdoberfläche erreichen kann. Auf diesen Spektralbereich hat sich in der Evolution das menschliche Auge als Sensor elektromagnetischer Strahlung ausgerichtet, so dass man vom (für den Menschen) sichtbaren Licht spricht. Hingegen können viele Wirbeltiere auch im nahen Ultraviolett unterhalb von 0,4 Mikrometer Farben erkennen.

In vielen Fällen wird bei der Beobachtung des sichtbaren Lichtes noch eine Aufspaltung durch Filter oder Beugungsgitter in blaues, grünes und rotes Licht vorgenommen, Bereiche, die jeweils einem eigenen Detektor zugeleitet werden.

Im Bereich des sichtbaren Lichts befindet sich das größte atmosphärische Fenster und gleichzeitig ist hier auch die Ausstrahlung der Sonne am stärksten. Folglich ist es für die Fernerkundung am wichtigsten. Der VIS-Bereich spielt besonders eine Rolle bei der Landoberflächen-Erkundung, der Wolkenklassifikation und der Ermittlung der Wolkenbedeckung.

Bereich des VIS innerhalb des elektromagnetischen Spektrums Das Licht, das unsere Augen - unsere "Fernerkundungssensoren" - wahrnehmen können, ist Teil des sichtbaren Spektrums. Es ist wichtig zu erkennen, wie klein der sichtbare Teil im Verhältnis zum Rest des Spektrums ist. Um uns herum gibt es eine Menge Strahlung, die für unsere Augen "unsichtbar" ist, aber von anderen Fernerkundungsinstrumenten erkannt und zu unserem Vorteil genutzt werden kann. Die sichtbaren Wellenlängen decken einen Bereich von etwa 0,4 bis 0,7 μm ab. Die längste sichtbare Wellenlänge ist rot und die kürzeste violett. Die üblichen Wellenlängen dessen, was wir als bestimmte Farben aus dem sichtbaren Teil des Spektrums wahrnehmen, sind links aufgeführt. Es ist wichtig zu beachten, dass dies der einzige Teil des Spektrums ist, den wir mit dem Konzept der Farben in Verbindung bringen können. Quelle: Natural Resources Canada

Signal

Engl. signal, franz. signal; nach DIN 18716 ein "Messwert, der in Relation zu einer physikalischen Größe steht, von einem Sensor erfasst sowie orts- und wertdiskret gespeichert wird".

Im Verständnis der Informatik sind Signale elementare feststellbare Veränderungen wie z.B. ein Ton, eine Mimik, ein Lichtblitz, eine Farbveränderung, eine Bewegung oder ein elektrischer Impuls. Unterschieden werden analoge Signale, die einen zeitlich/räumlich kontinuierlichen Verlauf besitzen (z.B. Schallwellen), und digitale Signale, die zeitlich kurz sind und nur eine begrenzte Zahl von Werten, d.h. diskrete Werte annehmen können. Während in analogen Signalen die Information mit Hilfe von Signalhöhe und -dauer verschlüsselt ist, wird in digitalen Signalen die Information durch Signalanzahl, -abstand und eventuell -dauer verschlüsselt. In einem Digitalrechner (abgeleitet aus engl. „digit“ für Ziffer) werden Daten auf der Basis diskreter Zahlendarstellungen verarbeitet, die durch zwei diskrete und klar zu trennende Signale (0 und 1) dargestellt werden. (de Lange 2020)

Signal-Rausch-Verhältnis

Engl. signal to noise ratio (SNR), franz. rapport signal/bruit; das Verhältnis der Intensität des informationenbeinhaltenden Sensorsignals zur Intensität des Rauschens. Es ist definiert als der Quotient aus Strahlungsfluss und rauschäquivalenter, d.h. durch das Rauschen reduzierter Strahlungsleistung. Das Signal-Rausch-Verhältnis steht in enger Wechselwirkung mit geometrischer Auflösung, spektraler Auflösung, Flughöhe und -geschwindigkeit der Sensorplattform, Effektivität des Abtastsystems, Rauscheigenschaften des Sensormaterials und Änderungen des Reflexionsgrads der detektierten Oberfläche.

Signalaufklärung

Syn. signalerfassende Aufklärung, engl. signals intelligence (SIGINT); Bezeichnung für die Aufklärung und Analyse der elektromagnetischen Emissionen, die durch die Kommunikation und andere Aktivitäten des Gegners entstehen. Die weltweiten Datenströme werden ausschnittsweise gefiltert und elektronisch auf bestimmte Inhalte untersucht. Die technische Beschaffung erfolgt rezeptiv und ist nur begrenzt steuerbar. Darüber hinaus ist besonders diese Art der Informationsbeschaffung gesetzlich streng reglementiert. Auf diese Weise will man Informationen über das Bedrohungspotenzial, strategische und taktische Begrenzungen sowie die Absichten des Gegners gewinnen. Zwei wichtige Anforderungen werden an SIGINT gestellt: Sie muss heimlich und passiv ablaufen. Oft muss man die Informationen dechiffrieren, weil sie mit immer komplizierteren Verfahren verschlüsselt werden, zudem ist eine zeitnahe, genaue Übersetzung bei übertragungen aus anderen Sprachen erforderlich.

SIGINT besteht üblicherweise aus folgenden Hauptkategorien:

• Fernmeldeaufklärung (engl. Communication Intelligence – COMINT) zum Abhören von Funksignalen,
• Elektronische Aufklärung (engl. Electronic Intelligence – ELINT) zur Erfassung und Analyse anderer elektronischer Signale und
• Signalaufklärung ausländischer Instrumente (engl. Foreign Instrumentation Signals Intelligence – FISINT) zur Aufklärung und Auswertung von Emissionen, die bei der Entwicklung und dem Test neuer Plattformen und Waffensystemen eines Gegeners einhergehen.

Schon immer haben Staaten versucht, den Nachrichtenverkehr anderer Länder abzufangen. Mit der Entwicklung von Kommunikationsverfahren, die verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums nutzen, und durch die Beiden Weltkriege entwickelten sich diese Aktivitäten zu einer ausgeklügelten, technikgetriebenen Wissenschaft. Derartige Aufklärungstätigkeit betreiben meist militärische oder zivile Nachrichtendienste, wie beispielsweise in Deutschland zur Gewinnung von Informationen sicherheitsrelevanter Art außerhalb des eigenen Territoriums der Bundesnachrichtendienst (BND), aber auch die Bundeswehr, operativ durchgeführt von der Elektronischen Kampfführung (Eloka).

SIGINT wird vom Boden aus, auf See, aus der Luft und auch von Satelliten aus betrieben. Beispielsweise setzt das US-Militär unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) ein, wie die Drohnen Global Hawk, Reaper und neuerdings MQ-4C Triton. Zur Vermeidung der bauartbedingten Nachteile von Drohnen (verwundbar wegen geringer Geschwindigkeit) kommt der Flugzeugtyp EA-18G Growler zum Einsatz, ein umgebautes Kampfflugzeug. Die Flugobjekte sind mit starken IR-Sensoren und Kameras ausgestattet, sowie mit LIDAR- und SAR-Systemen.

Die deutsche Bundeswehr setzte bis 2010 Flugzeuge des Typs Breguet Atlantic BR-1150 in der SIGINT-Version ein, zeitweise war ihr Ersatz durch unbemannte Euro-Hawk-Drohnen vorgesehen. Inzwischen möchte sie drei Exemplare der MQ-4C Triton mit dem darauf installierten Spionagesystem ISIS von Airbus D & S (jetzt Hensoldt) beschaffen. Ferner betreibt die Bundeswehr neben den Standorten für Fernmeldeaufklärung und elektronische Aufklärung noch zwei der Horchposten-Türme an der ehemaligen innerdeutschen Grenze zu Ausbildungszwecken.

SIGINT ist ein eigenes Aufklärungsgebiet, aber auch besonders im Aufklärungsverbund mit abbildender Aufklärung wertvoll. Während Bilddaten (Foto, Radar, Video) mehr oder minder nur die geographische Situation darstellen, ermittelt SIGINT als Ergänzung den Einsatzzweck. Durch z. B. Abhören der Funksprüche und Befehlscodes, sowie Feststellen der Betriebsmodi der Radare kann auf den Einsatzbefehl der im Bild dargestellten Einheiten/Fahrzeuge/Systeme geschlossen werden.

Eine wichtige Nebenaufgabe der SIGINT ist auch das Feststellen eigener Kompromittierung, z. B. das Ermitteln der Abstrahlungen eines eigenen Gefechtsstandes oder Waffensystems bzw. Funksenders im Felde zur elektronischen Emissionsminimierung.

Signals Intelligence (SIGINT)

Siehe Signalaufklärung

Signatur

Reflektionseigenschaften eines Objekts oder einer Landbedeckung. Dieses Reflexionsverhalten wird in Signaturkurven dargestellt, die auch als Reflexionskurven bezeichnet werden und die Bedeutung "spektraler Fingerabdrücke" besitzen. Die folgende Abbildung zeigt ausgewählte Signaturkurven, an denen sich einige Reflexionsunterschiede verdeutlichen lassen. Die Spektralsignaturen gesunder grüner Vegetation weisen neben dem Chlorophyll-Reflexionsmaximum im grünen Spektralbereich einen besonders erwähnenswerten steilen Anstieg der Reflexion im nahen Infrarot auf. Dieser Red Edge genannte Gradient besitzt große Bedeutung bei der Auswertung von Bilddaten für eine Vegetationsanalyse. Er kommt u.a. bei der Entwicklung von Vegetationsindizes zum Tragen, die z.B. zur Identifizierung des Vitalitätsgrades von Pflanzen ausgenutzt werden.

Signaturkurven Reflexion von Wasser, Boden und Vegetation sowie die Kanäle des Landsat-Instruments TM: 1 (0,45-0,52 μm), 2 (0,52-0,60 μm), 3 (0,63-0,69 μm), 4 (0,76-0,90 μm), 5 (1,55-1,75 μm) und 7 (2,08-2,35 μm). Die gemessenen Intensitäten in einem Kanal entsprechen Mittelwerten über die Kanalbreite. Der starke Anstieg der Vegetationskurve in Kanal 3 wird z. B. nur durch einen Mittelwert wiedergegeben. Quelle: SEOS

Die Anwendung von Signaturkurven hat allerdings Grenzen. So gibt es für eine Oberflächenart keine allgemeingültigen Signaturkurven! Die Signaturkurven von Objekten an der Erdoberfläche variieren vielmehr u.a. nach Beleuchtung, Jahreszeit, Beschaffenheit der Atmosphäre, Zustand des Oberflächenobjektes (z.B. Gesundheitszustand, Aggregatzustand, Feuchtegehalt) und Konfiguration des Aufnahmeinstrumentes. So verändert sich z. B. die Reflexion von Wasser u.a. mit dem Trübstoffanteil. Daher sind in den jeweiligen Untersuchungsgebieten sog. Trainingsgebiete notwendig, die eine aktuelle homogene Oberfläche aufweisen und eine Ableitung bzw. Kalibrierung von Signaturkurven erlauben.

Siehe auch spektrale Signatur

SIRAL

Engl. Akronym für SAR Interferometer Radar Altimeter; Hauptnutzlast auf dem Satelliten CryoSat der ESA. Mit dem Altimeter wird die Topographie des Festlandeises auf Antarktika und auf Grönland vermessen. SIRAL ist mit zwei Radarantennen ausgestattet. Mit der einen Antenne werden kurze Radarimpulse zur Erdoberfläche gesandt. Das rückgesandte Signal von der Erde wird von beiden Antennen empfangen. Bei dem Verfahren handelt es sich um sog. Radar-Interferometrie. Aus den Daten können die Fachleute nun in Verbindung mit den exakten Bahndaten von CryoSat Höhenprofile von Eisschichten und der Meeresoberfläche berechnen.

SIRAL funktioniert unabhängig von der Wetterlage und den Lichtverhältnissen, so dass es bei jeder Tages- und Nachtzeit sowie bei bewölktem Himmel arbeiten kann. Es ist deshalb besonders zur Untersuchung großer polarer Eisschichten sowie -berge geeignet. Die Inlandeismassen können bis zu 4300 Meter Höhe über dem Meeresspiegel erreichen und sind oft von Wolken umgeben.

SIRAL ermittelt die Dicke des Meereises sowie die Höhe der Landeismassen mit einer Genauigkeit von 1 bis 3 Zentimetern. Auf diese Weise können auch sehr inhomogene Eisoberflächen genauestens erfasst werden. Mit Hilfe der Radar-Interferometrie lässt sich beispielsweise auch die Fließgeschwindigkeit des Eises exakt ermitteln. Dabei werden zwei Radarbilder zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen und anschließend elektronisch überlagert. Als Ergebnis erhält man dann die Fließgeschwindigkeit des Eises.

Die Technik gestattet auch den Abbruch von Eisbergen besser zu verfolgen. Große Teile der antarktischen Küste sind von Schelfeis begrenzt, in denen es zum Abbruch riesiger Eisberge kommt. Auf das so genannte Kalben des Eisbergs folgt eine mehrjährige Vorstoßphase des Schelfeises. Dieser zyklische Prozess hat großen Einfluss auf die Massenbilanz von Antarktika und die Hydrologie der angrenzenden Ozeane.

SIRAL ist entsprechend der komplexen Aufgaben so konzipiert, dass für die unterschiedlichen Anwendungsgebiete insgesamt drei verschiedene Operationsmodi möglich sind:

• Betrieb über Landeis (der von der Schnee- und Eisdecke zum Sensor reflektierte Anteil von Radarwellen enthält Informationen über die Eigenschaften des Schnees)
• Betrieb über Meereis (bessere Unterscheidung von Eis und Wasser)
• Betrieb an den Rändern der Eisschilde (genauere Bestimmung der Neigung der Eisoberfläche und ihrer Höhe)

Weitere Informationen:

• SIRAL Profil (CEOS EO Handbook)

Skalierung

Verändern des Darstellungs-Maßstabes in einem Bild-, CAD- oder Grafikprogramm.

Skylab

Bezeichnung für die erste amerikanische Raumstation, mit der von 1973-1974 3 bemannte Missionen mit einer Gesamtdauer von 171 Tagen durchgeführt wurden. Die Station verglühte 1979 unkontrolliert in der Atmosphäre, Teile stürzten in den Indik und auf Westaustralien. Skylab bestand im Wesentlichen aus einer umgebauten dritten Saturn V-Raketenstufe. Die Flughöhe von Skylab betrug ca. 435 km. Skylab sollte den Nachweis erbringen, dass Menschen auch über längere Zeiträume im Weltraum leben und arbeiten können. Ferner diente Skylab mit seinem bordeigenen Sonnenlaboratorium der Sonnenforschung sowie der Erdbeobachtung.

Weitere Informationen:

• Die amerikanische Raumstation Skylab (M. Stein, Raumfahrer.net)
• Skylab, Our First Space Station (L.F. Belew, NASA)

SkySat

Bezeichnung für eine Baureihe von kommerziellen Erdbeobachtungssatelliten der amerikanischen Firma Planet (Vorbesitzer SkyBox Imaging, danach Terra Bella), das für Google hochauflösende Satellitenaufnahmen anfertigt.

SkySat-1 wurde am 21.11.2013 mit einer Dnepr-Trägerrakete von Jasny (Russland) aus gestartet. Der identische SkySat-2 wurde als Beilast auf einer Sojuz-2-1b Fregat-M am 8. 7.2014 von Baikonur (Kasachstan) gestartet.

SkySat-1/-2 sind zwei Mikrosatelliten mit Erdbeobachtungsaufgaben zur Erzeugung von hochaufgelösten Bildern und Videos im panchromatischen (0,9 m) multispektralen Bereich. Die Bilder können im sichtbaren und im infraroten Bereich generiert werden. Die Satelliten arbeiten von einer polaren Umlaufbahn in ca. 450 km Höhe.

Der leistungsfähigerer SkySat-3 wurde am 22. Juni 2016 von einer indischen PSLV-XL-Rakete im Orbit ausgesetzt. Am 16. September 2016 erfolgte der Start von SkySat-4, -5, -6 und -7 mit einer Vega-Rakete von Arianespace. Planet vervollständigte seine Konstellation von 21 SkySats im Jahr 2020. Die Planet SkySats, die eine Auflösung von 50 Zentimetern pro Pixel und Wiederholungsraten von bis zu 10-mal pro Tag bieten, wurden teilweise von Maxar Technologies hergestellt.

Im Gegensatz zu Doves verfügen SkySats über ein Antriebssystem, das es Planet ermöglicht, sie auf einer gewünschten Höhe zu halten und die globale Abdeckung zu optimieren. (Hier eindrucksvolle Beispiele)

Im Jahr 2020 senkte Planet seine damals bestehende Konstellation von 15 SkySats von einer Höhe von 500 Kilometern auf 400 Kilometer ab, um die Auflösung der orthorektifizierten Bilder von 80 Zentimetern auf 50 Zentimeter pro Pixel zu verbessern.

SkySats können beauftragt werden, jeden Punkt der Erde in hoher Auflösung (50 Zentimeter) aufzunehmen. Außerdem können sie Stereobilder und Videomaterial mit einer Dauer von bis zu 90 Sekunden aufnehmen.

Weitere Informationen:

• SkySat (eoPortal Directory)

SLAR

Engl. Akronym für Sidelooking Airborne Radar, dt.: Seitensichtradar

SLR

Siehe Satellite Laser Ranging

SLSTR

Engl. Akronym für Sea and Land Surface Temperature Radiometer; Radiometer an Bord von Sentinel-3 mit der Aufgabe, vor allem die Meeresoberflächentemperaturen mit einer Genauigkeit von unter 0,3 K zu bestimmen. Das Instrument basiert auf ENVISATs Advanced Along Track Scanning Radiometer (AATSR). Als Neuerung hat SLST einen Doppelscan-Mechanismus, der eine breitere Bodenspur (1420 km in Nadir-Richtung, 750 km nach hinten) ergibt und auch eine Überdeckung mit den Daten von OLCI, einem weiteren Hauptinstrument auf Sentinel-3. Zusätzlich ist die Atmosphärenkorrektur verbessert. Der Sensor gewährleistet einerseits die Datenkontinuität über die Meeresoberflächentemperaturen, andererseits liefert er mit seinen Charakteristika zusätzliche Informationen über den Zustand der Vegetation. SLST misst in neun Spektralkanälen zwischen 550 nm und 12 µm Wellenlänge und in zwei zusätzlichen Bändern, die für das Feuermonitoring optimiert sind. Die Bodenauflösung des Radiometers beträgt bei den Kanälen im sichtbaren und im kurzwelligen IR-Bereich 500 m, im thermalen Infrarot 1.000 m.

Weitere Informationen:

• SLSTR Profil (CEOS EO Handbook)

SMAP

Engl. Akronym für Soil Moisture Active-Passive (Mission); auf wenigstens 3 Jahre angelegte Mission der NASA zur Messung der Bodenfeuchte und der Frost-Tau-Zustände des Bodens. Die wissenschaftliche Nutzlast besteht aus einem Radar mit synthetischer Apertur (SAR) für die Ermittlung der Bodenfeuchte durch die aktive Messung der Echos von ausgesandten Signalen sowie einem Radiometer zur passiven Messung der natürlichen Mikrowellenstrahlung. Durch Kombination beider Messverfahren verspricht man sich sowohl eine hohe Auflösung als auch eine große Genauigkeit der Daten.

Die direkte Messung der genannten Parameter ist nötig, um das Verständnis der regionalen Wasserkreisläufe und der Produktivität von Ökosystemen zu verbessern, sowie das der Prozesse, die den Wasserkreislauf, Energie- und Kohlenstoffkreislauf verbinden. Informationen über die Bodenfeuchte ermöglichen die Verbesserung der Wettervorhersagen, der Vorhersagen von Überschwemmungen und Dürren sowie Prognosen zur landwirtschaftlichen Erträgen und zum Klimawandel.

SMAP wurde am 31.1.2015 mit einer Delta II 7320-10C-Trägerrakete von der Vandenberg Air Force Base auf seine polnahe, sonnensynchrone Umlaufbahn gebracht. Die Umlaufbahn in 685 Kilometer Höhe hat eine Inklination von 98,1 Grad. Die Erdumlaufzeit beträgt 98 Minuten und 30 Sekunden. SMAP wiegt 944 Kilogramm und misst im Betriebszustand 9,7 x 7,1 x 6,8 m. Charakteristisch für sein Erscheinungsbild ist ein Antennenreflektor mit 6 m Durchmesser.

Radar und Antennenreflektor sind drehbar auf dem Satellitenbus montiert und rotieren mit 13 bis 14,6 Umdrehungen pro Minute (siehe hierzu eine NASA-Animation). Der durch diese Konstruktion auf der Erde abgedeckte Bodenspur ist rund 1.000 Kilometer breit. Auf Höhe des Äquators wird alle drei Tage die gleiche Region erfasst, in Richtung der Pole entsprechend öfter.

Im Juli 2015 versagte die Datenübertragung des Radars dauerhaft. Dennoch erwarten die Wissenschaftler wertvolle Daten von dem weiterhin funktionierenden Radiometer. Die Hauptmissionsphase von drei Jahren wurde 2018 abgeschlossen, seitdem befindet sich SMAP in der erweiterten Betriebsphase.

Nach dem Ausfall des SMAP-Radars wurden die SMAP-Radiometerdaten verwendet, um eine Gefrier-/Taukarte mit einer Auflösung von 36 km zu erstellen. Sowohl das Radar als auch das Radiometer haben äußerlich eine gemeinsame Antenne und Einspeiseeinheit, aber ihre Elektronik innerhalb von SMAP ist unterschiedlich.

Nach dem Ausfall des SMAP-L-Band-Radars wurden ab Mitte 2017 die Daten des Synthetic Aperture Radars auf dem Copernicus-Sentinel-1 mit einer vollständigen globalen Landabdeckung alle 12 Tage als Ersatz verwendet. Die kombinierten Daten von SMAP und Sentinel-1 werden seit Juni 2018 für die Erstellung von Bodenfeuchteprodukten mit einer räumlichen Auflösung von 3 km verwendet.

Salinitätsdaten zeigen den Bewegungsverlauf des Amazonas-Süßwassers

Der Amazonas ist der größte Fluss der Welt, was die Menge an Süßwasser angeht, die er mit sich führt und in den Atlantischen Ozean einleitet. Diese Animation zeigt deutlich die Süßwassereinträge in den Atlantik, die in dunkelblauer Farbe dargestellt sind. Die Animation, die vom 27. März 2015 bis zum 16. April 2018 läuft, wurde mit Daten der Soil Moisture Active Passive Mission (SMAP) der NASA erstellt. Ein wichtiges Merkmal ist, dass das Süßwasser nicht an der Küste bleibt, sondern durch Meeresströmungen bewegt wird. Der Nord-Brasilien-Strom trägt das Süßwasser nach Norden, wo es dann vom atlantischen äquatorialen Gegenstrom aufgefangen und nach Osten bewegt wird. Das Süßwasser, das aus dem Mississippi in den Golf von Mexiko gelangt, ist oben zu sehen. Quelle: NASA

Weitere Informationen:

• Projekt-Homepage (JPL NASA)
• SMAP Data Products and Applications (NASA)
• SMAP Profil (CEOS EO Handbook)
• SMAP (eoPortal Directory)
• SMAP Handbook - Mapping Soil Moisture and Freeze/Thaw from Space (NASA)
• NASA's Soil Moisture Active Passive (SMAP) Mission and Opportunities for Applications Users (Brown, Molly E. et al., BAMS)
• A Little Bit of Water, A Lot of Impact (NASA Earth Observatory 2015)

SMART-1

Engl. Akronym für Small Missions for Advanced Research in Technology; im September 2003 mit einer Ariane V von Kourou in Richtung Mond gestartetes, erstes Exemplar dieser Serie von ESA-Missionen zum Einsatz neuer Technologien. Am 3. September 2006 wurde die Mission mit einem geplanten Absturz auf dem Mond (Lacus Excellentiae) beendet.

Wichtigstes Ziel der Mondsonde war die praktische Erprobung des Ionenantriebs für spätere Missionen in den tiefen Weltraum und der Einsatz von miniaturisierten Instrumenten. Gleichzeitig war SMART-1 das erste europäische Raumfahrzeug mit dem Mond als Ziel. SMART-1 führte die erste umfassende Bestandsaufnahme der wichtigsten, in der Mondoberfläche auftretenden chemischen Elemente durch. Auch untersuchte das Raumfahrzeug die Theorie, dass der Mond vor 4,5 Mrd Jahren nach der Kollision eines kleineren Planeten mit der Erde entstand.

Weitere Informationen:

• Smart-1 (ESA Science & Technology)
• Smart 1 (ESA dt.)

SMILE

Engl. Akronym für Solar Wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer; geplante gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und der Kanadischen Weltraumagentur (CSA). SMILE wurde 2015 von ESA und CAS aus 13 Vorschlägen für eine gemeinsame kleine Mission ausgewählt und ist die S2-Mission der Cosmic Vision 2015–2025 der ESA.

Ziel des SMILE-Programms ist die Erforschung des Weltraumwetters, der physikalischen Hintergründe der kontinuierlichen Wechselwirkung zwischen den Teilchen im Sonnenwind und der Erdmagnetosphäre, dem magnetischen Schild, der alles Leben auf unserem Planeten schützt.

Mit eigenen Teleskopen soll SMILE erstmals weiche Röntgenstrahlung aus der Magnetosphäre und gleichzeitig Ultraviolettstrahlung des Polarlichts beobachten. Gleichzeitig sollen ähnlich wie bei früheren Missionen der Weltraumplasmaphysik die lokalen Eigenschaften des Plasmas des Sonnenwinds und der Magnetosphäre am Ort der Sonde vermessen werden.

Der Satellit wird eine Masse von 2200 kg haben und in einer stark elliptischen Umlaufbahn um die Erde kreisen. Das Perigäum wird 5000 Kilometer von der Erde entfernt sein (von dort werden Daten zur Troll-Bodenstation in der Antarktis und der CAS-Bodenstation im chinesischen Sanya heruntergeladen), das Apogäum liegt bei 121.000 km (fast ein Drittel der Entfernung zum Mond). Von diesem Punkt aus wird der Satellit eine (zeitlich) ausgedehnte Sicht auf die nördlichen Polarregionen der Erde haben, um die Grenze des Erdmagnetfelds und das Nordlicht, die Aurora borealis, bildlich erfassen zu können.

Die Instrumente von SMILE:

• Soft X-ray Imager (SXI) – ein Teleskop für weiche Röntgenstrahlung, es wird einzigartige Messdaten der Regionen liefern, in denen der Sonnenwind auf die Magnetosphäre einwirkt.
• UV Imager (UVI) – ein Teleskop für Ultraviolettstrahlung, es wird die globale Verteilung der Polarlichter erforschen.
• Light Ion Analyser (LIA) – zur Messung der Eigenschaften des ionisierten Plasmas am Ort der Sonde, er soll die Eigenschaften des ionisierten Plasmas im Sonnenwind messen.
• Magnetometer (MAG) – zur Messung der Magnetfelder am Ort der Sonde.

Struktur und Antriebsmodul der Sonde werden von CAS bereitgestellt. Die ESA ist für das Nutzlastmodul und den Start verantwortlich. Es wird am Airbus-Standort in Madrid gebaut, wo auch die Instrumente integriert werden. Die wissenschaftlichen Instrumente werden von Instituten in Europa, China und Kanada entwickelt. Nutzlastmodul und Plattform werden dann im Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrum der ESA von einem multinationalen Team integriert und getestet.

Gegenwärtig ist der Start mit einer europäischen Vega-C oder einer Ariane 62 im Jahr 2023 geplant.

Weitere Informationen:

• SMILE (ESA)

SMOS

Engl. Akronym für Soil Moisture and Ocean Salinity Mission; die zweite Earth Explorer Opportunity-Mission der ESA mit erfolgtem Start am 2. November 2009 vom russischen Raumfahrtbahnhof Plessezk aus. Der Satellit liefert globale Beobachtungswerte zu zwei für die Modellierung von Wetter, Klima und Meereszirkulation entscheidenden Variablen: Bodenfeuchte und ozeanischer Salzgehalt. Daneben beobachet er den Wassergehalt der Vegetation, die Schneebedeckung und die Eisstruktur.

SMOS hatte eine Startmasse von 683 Kilogramm, er besitzt eine Höhe von 2,4 Meter und einen Durchmesser von 2,3 Meter. SMOS arbeitet zur Messung des oberflächennahen Salzgehalts der Meere als erste Mission mit einem interferometrischen L-Band-Radiometer (MIRAS). Der Satellit umläuft die Erde auf einer nahezu kreisförmigen, sonnensynchronen Bahn (Inklination 98,45°) in 758 km Höhe. Der ESA-Satellit überfliegt alle drei Tage jeden Punkt der Erdoberfläche. Als Missionsdauer waren zunächst drei Jahre vorgesehen, wegen des ausgezeichneten technischen und wissenschaftlichen Zustands der Mission wurde sie mehrfach verlängert. SMOS ist auch 2020 noch aktiv.

Neben SMOS misst die NASA-Mission Aquarius (Start 2011) den globalen Salzgehalt der Meere sowie der 2015 gestartete NASA-Satellit SMAP die Bodenfeuchtigkeit.

SMOS kartiert die trockenen Herbstböden in Europa Trockene Böden, die aus dem außergewöhnlich warmen und trockenen Herbst 2011 in Europa erklärbar sind, werden von der Wasser-Mission der ESA beobachtet. Die beiden alternierenden Bilder zeigen den krassen Unterschied der Bodenfeuchte zwischen November 2010 und November 2011. Wie schon während der meisten Zeit des Jahres, war der Herbst 2011 besonders trocken. In den Niederlanden beispielsweise fielen im November lediglich 9 mm Regen, verglichen mit dem Durchschnitt von 82 mm. Dieser November war damit der trockenste seit Beginn der Aufzeichnungen 1906. Die lange Trockenperiode hat in Deutschland nicht nur den Schiffsverkehr auf Rhein und Elbe beeinträchtigt, sondern auch einen Waldbrand in Bayern begünstigt. Auch in England hat es die Umwelt schwer, sich 2012 von den Dürreperioden. Quelle: ESA

Die Bodenfeuchte beeinflusst stark den Austausch von Wasser und Energie zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre und ist deshalb eine Schlüsselvariable im Klimasystem. Während viele ihrer Auswirkungen auf das Klimasystem, wie z.B. die Rolle von Bodenfeuchtedefiziten beim Auftreten von Hitzewellen recht gut verstanden sind, wurde der Fortschritt beim wissenschaftlichen Verständnis der Interaktion von Bodenfeuchte und Klima durch das Fehlen von Bodenfeuchtedaten behindert. Diese Situation hat sich in den letzten Jahren dank der Verfügbarkeit von in situ-Daten (z.B. mit Hilfe des International Soil Moisture Network) und satellitenbasierten Bodenfeuchte-Beobachtungen verbessert.

Das für die Klimamodellierung wichtige Wechselspiel zwischen Niederschlag und Verdunstung wird bisher nur grob erfasst. Insbesondere der Feuchteumsatz über den Ozeanen ist nur unzureichend bekannt. Dort verdunsten große Mengen an Wasser und fallen auch über den Meeren wieder als Niederschlag, ohne die Kontinente zu erreichen. SMOS kann zwar Niederschläge nicht direkt messen, aber den Salzgehalt des Oberflächenwassers. Wenn Süßwasser in den Ozean gelangt, etwa durch Niederschlag, Flüsse oder schmelzendes Eis, sinkt der Salzgehalt. So können die SMOS-Daten zusätzliche Orientierungspunkte für die Wetter- und Klimamodelle liefern.

Die Messmethode des Satelliten basiert auf dem Prinzip, dass jedes Objekt aufgrund seiner Temperatur und elektrischen Eigenschaften eine bestimmte elektromagnetische Strahlung (Emissivität) besitzt. Beim Ozean zum Beispiel hängt dieser Wert aber auch vom Salzgehalt ab. Besonders deutlich ist dieser Einfluss bei Mikrowellen erkennbar. SMOS registriert deshalb die Mikrowellenstrahlung zwischen 1400 und 1427 Megahertz, die von der Erde ins All geworfen wird. Die von SMOS gemessenen Strahlungstemperaturen hängen von Oberflächentemperatur und -salzgehalt sowie der Aufrauhung der Wasseroberfläche durch Wind ab. Inverse Modellierung wird dazu verwendet, um mit zusätzlicher Kenntnis von Oberflächentemperatur und Windgeschwindigkeit den Oberflächensalzgehalt aus den SMOS L-Band Strahlungstemperaturmessungen abzuleiten.

Wenn die Messgeräte kalibriert sind, soll der Satellit Unterschiede im Salzgehalt von lediglich 0,1 Promille erkennen. Das sind 0,1 Gramm Salz pro Liter Wasser (0,1 psu, practical salinity unit). Allerdings beziehen sich die Messungen auf ein ziemlich großes Areal von etwa 100 mal 100 km. Aus dem Mikrowellenspektrum, das die 69 Antennen von SMOS messen, lässt sich aber auch auf die Bodenfeuchte der Festlandsgebiete mit einer Genauigkeit von 0.035 m³ alle 3 Tage schließen. Dort kann der Satellit sogar Daten von relativ kleinen Messparzellen in der Größe von 35 mal 35 km gewinnen.

SMOS im Orbit (künstlerische Darstellung) Über die bislang unterschätzten Klimafaktoren „Bodenfeuchte und Ozeansalzgehalt“ lassen sich Veränderungen in der globalen Wasserzirkulation erkennen und damit Erkenntnisse über die zukünftige Verteilung der Ressource Wasser gewinnen. Mit der zunehmenden Globalisierung der Welt rückt „Das Wasser der Erde“ immer stärker in den Fokus der Betrachtungen. Wie in der Vergangenheit Kriege um Rohstoffe geführt wurden, könnte es als Folge der globalen Umweltveränderungen eines Tages auch zu Verteilungskämpfen um die Ressource „Wasser“ kommen. Zu den innovativen Aspekten der SMOS-Mission gehört der Einsatz einer neuen Messtechnik (siehe ESA-Artikel „Messtechnik: Technologischer Quantensprung“). Quelle: SMOS BEC

Flächendeckende Feuchtemessungen im Boden sind wichtig für Wetter- und Klimaforscher, wenn sie berechnen wollen, welchen Einfluss etwa steigende Temperaturen haben. Beispielsweise erwärmt sich ein feuchter Untergrund langsamer als ein trockener, denn die enthaltene Flüssigkeit muss erst verdunsten,und dafür wird viel Energie benötigt. Ist das Land hingegen ausgetrocknet, heizt es sich rasch auf. Dies zeigt sich am Beispiel der Hitzewelle des Jahres 2003, die auch deshalb so gravierend war, weil es zuvor bereits eine große Trockenperiode gab.

Weitere Informationen:

• The programmatic and technological challenges of SMOS (esa bulletin 137, 2009)
• Exploring the water cycle of the 'Blue Planet' (esa bulletin 137, 2009)
• Star in the sky - The SMOS payload: MIRAS (esa bulletin 137, 2009)
• Getting down to business - SMOS operations and products (esa bulletin 137, 2009)
• The use of Earth observation satellites for soil moisture monitoring (W.Wagner, WMO-No. 1108, 2013)
• A Little Bit of Water, A Lot of Impact (NASA Earth Observatory 2015)
• SMOS - Earth Explorers (ESA)
• SMOS Level 2 Ocean Salinity Processor Development & Validation (ARGANS)
• Satellites forewarn of locust plagues (ESA)
• SMOS Profil (CEOS EO Handbook)
• SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) Mission (eoPortal Directory)
• SMOS 10 years in orbit (ESA, YouTube)

SNSA

Engl. Akronym für Swedish National Space Aoard; staatliche schwedische Raumfahrtagentur.

Weitere Informationen:

• SNSA Webseite
• Agency Summary - SNSB (CEOS EO Handbook)

SODAR

Engl. Akronym für Sound/Sonic Detection and Ranging (Erfassung und Entfernungsbestimmung mit Schallwellen), Begriffswahl in Analogie zu RADAR, ungenau auch acoustic radar, Schallradar, akustisches RADAR.

SODAR ist ein aktives Fernerkundungsverfahren, das zur zeit-höhenkontinuierlichen Vertikalsondierung der Temperaturstruktur (z.B. Erkennung von Inversionen und Konvektion) und des Windfelds in der atmosphärischen Grundschicht (syn. Peplosphäre, die ca. 1 bis 2,5 km mächtige untere Atmosphäre) eingesetzt wird. Die SODAR-Messung basiert auf der Tatsache, dass die Schallausbreitung in der Grundschicht durch das Temperatur- und Windfeld beeinflusst wird. Das SODAR-Prinzip stellt wie das RADAR ein Impulsmessverfahren dar, das heißt ein Signal wird vom Gerät erzeugt, ausgesendet und seine Reflexion wieder aufgenommen und gemessen.

Eine einfache SODAR-Anlage besteht aus einem vertikal orientierten, etwa 3 m hohen Schalltrichter, aus dem kurze Schallsignale (100 ms) gebündelt in die Atmosphäre abgestrahlt werden. Ein geringer Teil dieses Schallstrahles wird wegen der in der Atmosphäre vorhandenen Inhomogenitäten des Brechungskoeffizienten für Schall (z.B. an Temperaturinversionen) wieder zur Erdoberfläche gestreut und dort empfangen. Die Intensität des Rückstreusignals ist proportional zum Temperaturstrukturparameter, der die mittlere quadratische Temperaturdifferenz zwischen zwei Höhenpunkten repräsentiert. Da bei dieser Messanordnung Sende- und Empfangsantenne identisch sind, spricht man von einer monostatischen Antenne.

Das Aufspüren der Untergrenze von Inversionen ist für die Überwachung der Luftqualität von Bedeutung, denn je tiefer die Untergrenze z.B. bei winterlichen Hochdruckwetterlagen sinkt, desto weniger Raum steht für die Verteilung von Schadstoffen zur Verfügung und umso größer ist die Smoggefahr.

Zur Ableitung von Windfeldern werden Doppler-SODARs mit drei Schallantennen eingesetzt. Drei generierte Schallimpulse werden nacheinander unter definiertem Winkel in drei Raumrichtungen ausgesendet. Die Schallwellen werden an turbulenten Dichteschwankungen (Turbulenz) rückgestreut. Die Laufzeit der von Boden ausgesandten und wieder zurückgestreuten Schallimpulse wird gemessen. Unter Verwendung der Schallgeschwindigkeit wird die Höhe der Turbulenzen ermittelt. Neben der Laufzeit wird die Frequenzverschiebung des rückgestreuten Signals (Dopplereffekt) ermittelt, woraus sich die Windgeschwindigkeit und Windrichtung ableiten läßt.

SODAR Für Messungen von vertikalen Wind- und Temperaturprofilen im Höhenbereich von 40 m bis ca. 600 m wird auf dem GM in Falkenberg ein Sodar/RASS des Typs METEK DSDPA.90-64 von Metek betrieben. Das Gerät wurde als stationäres System mit integrierter RASS-Option konzipiert und besteht im Wesentlichen aus der phasengesteuerten akustischen Gruppenantenne mit 8x8 Lautsprechern, einer integrierten Kontrolleinheit, die sowohl Sende- und Empfangssignalverstärkung aber auch die Phasensteuerung regelt, und dem eigentlichen akustischen Signalprozessor in einem separaten Steuerschrank. Quelle: DWD

Sodarsysteme ermöglichen die berührungslose Messungen vom Erdboden aus. Ihr Einsatzbereich kann beim gegenwärtigen Entwicklungs-stand von 10 m bis ca. 1.300 m Höhe reichen, eine vertikale Auflösung von 5 m ist möglich. Bei Regen kann keine Sondierung vorgenommen werden, da die auf das Empfangsmikrophon fallenden Tropfen Störlärm verursachen. Das Verfahren reagiert darüber hinaus empfindlich gegenüber einem hohen Schallpegel aus der Umgebung.

Bei SODAR-Systemen wird zwischen zwei verschiedenen Typen unterschieden:

Bei monostatischem Aufbau sind Sende- und Empfangsantenne sind identisch. Über eine Sende- und Empfangseinheit wird abwechselnd zwischen Senden und Empfangen umgeschaltet. Daten können aus vielen Höhenschichten erfasst werden. Die Rückstreuintensität der ausgesandten Schallwellen hängt nur von Temperaturschwankungen im Streuvolumen ab.

Bei bistatischen Geräten werden Sende- und Empfangsantennen räumlich getrennt aufgestellt, in der Regel mit einem Abstand von mehr als 50 m. Im Gegensatz zum monostatischen Typ können Daten nur aus einer begrenzten Höhenschicht erfasst werden. Die Rückstreuintensität hängt hier auch von Geschwindigkeitsfluktuationen ab.

Zur Messung von Windfeld und Temperaturprofilen werden heute vermehrt Mikrowellenverfahren und akustische Techniken im Verbund eingesetzt. Ein solches Messverfahren wird als RASS (Radio Acoustic Sounding System) bezeichnet.

Der Einsatz von SODAR-Systemen gewinnt außer bei der üblichen Wetterbeobachtung zunehmend Bedeutung im Zusammenhang mit Planung und Betrieb von Windenergieanlagen.

Weitere Informationen:

• Aktueller Stand und neue Entwicklungen in der SODAR-Messtechnik und in ihren Anwendungen (METEK)
• Bodengebundene FE-Systeme zur Vertikalsondierung (DWD, Klimastatusbericht 2000)
• International Society of Acoustic Remote Sensing of the Atmosphere and Oceans (ISARS)

SOFIA

Akron. für Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie; SOFIA (englisch Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, SOFIA) war ein fliegendes Teleskop, das die NASA gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) für Infrarotastronomie entwickelte. Die Plattform für das 2,7 Meter-Infrarot-Teleskop von SOFIA war ein gebrauchtes Boeing 747SP-Verkehrsflugzeug, das in Flughöhen über zwölf Kilometern operieren wird. Unterhalb dieses Bereichs behindert der absorbierende Wasserdampf in der Troposphäre Beobachtungen im Infrarotbereich, was dazu führt, dass Bodenteleskope Infrarotstrahlung von Himmelsobjekten nur in engen Wellenlängenfenstern empfangen können. SOFIA war von November 2010 bis September 2022 im Einsatz. Dann wurde das Projekt mit Verweis auf die hohen Unterhaltskosten eingestellt.

Bis Mitte der 90er Jahre haben Astronomen das flugzeuggetragene 91 Zentimeter-Teleskop des Kuiper Airborne Observatory (KAO) der NASA benutzt, um astronomische Daten im Infrarot-Bereich zu erhalten. Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums ist für Bodenobservatorien weitgehend unzugänglich. Ein herausragendes Ergebnis der KAO-Messungen war die Entdeckung der Uranus-Ringe.

Ende 1996 haben sich die amerikanische NASA und das DLR darauf verständigt, gemeinsam dieses neue Observatorium mit der Bezeichnung SOFIA (Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) zu entwickeln und zu betreiben. Nach Integration des Teleskops und Abschluss der strukturellen Modifikationen des Flugzeugs begannen im April 2007 die Flugtests des Observatoriums. Seit Anfang 2008 befindet sich SOFIA an seinem endgültigen Standort in einem Hangar des NASA Armstrong Flight Research Center in Palmdale, Kalifornien.

Mit dem in eine modifizierte Boeing 747SP integrierten 2,7 Meter-Teleskop werden astronomische Beobachtungen im Infrarot- und Submillimeter-Wellenlängenbereich weitgehend oberhalb der störenden irdischen Lufthülle durchgeführt. Schwerpunkt der wissenschaftlichen Zielsetzung ist die Erforschung der Entwicklung von Milchstraßensystemen sowie die Entstehung und Entwicklung von Sternen und Sonnensystemen aus interstellaren Molekül- und Staubwolken.

Für den teils immer noch unerforschten Infrarot-Bereich haben Wissenschaftler der Vereinigten Staaten von Amerika und aus Deutschland den Bedarf für die Entwicklung eines neuen Infrarotastronomie-Observatoriums als modernen Nachfolger des KAO aufgezeigt: Mit höherer Winkelauflösung, gesteigerter Empfindlichkeit und höherer spektraler Auflösung konnte dieses neue flugzeuggetragene Observatorium fundamentale Fragen der galaktischen und extragalaktischen Astronomie und des Ursprungs und der Entwicklung des Sonnensystems beantworten.

Von deutscher Seite sind für SOFIA zwei Instrumente entwickelt worden:

• Das hochauflösende Heterodyn-Spektrometer GREAT (German Receiver at Terahertz Frequencies) unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn und
• das abbildende Linienspektrometer FIFI-LS (Far Infrared Field Imaging Line Spectrometer) unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching.

Die Finanzierung beider Instrumente erfolgte durch die beteiligten Max-Planck- und Universitäts-Institute, letztere mit Fördermitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie Blick in das Innere von Sofia Quelle: DSI Stuttgart

SOFIA sollte für 20 Jahre in Betrieb sein und dabei pro Jahr etwa 160 astronomische Messflüge durchführen. Jeder Flug dauerte jeweils etwa sechs bis acht Stunden. SOFIA wurde von etwa 50 Wissenschaftlergruppen genutzt, die durch ein jährliches wissenschaftliches Gutachtergremium (Peer Review) ausgewählt wurden.

Die häufigen Fluggelegenheiten mit Instrumenten jeweils neuester Technologie ermöglichten eine vielfältige Nutzung durch die Wissenschaftler. Durch den direkten Zugang zum Instrument während des Fluges hatten junge Wissenschaftler die Chance, ihre Messungen hautnah mitzuerleben und rasch in wissenschaftliche Veröffentlichungen umzusetzen. Die Flexibilität von SOFIA ermöglichte weltweiten Zugang zu kurzfristig auftauchenden Beobachtungsobjekten (so genannten Targets of Opportunity). Dank der vergleichsweise kurzen Zyklen der Instrumenten-Entwicklung bot SOFIA darüber hinaus eine ausgezeichnete Testplattform für spätere satellitengetragene Instrumente.

NASA und DLR haben Industrieverträge für die Erfüllung ihrer Aufgaben vergeben. Das SOFIA-Teleskop wurde im Auftrag des DLR von den Firmen MT-Mechatronics (früher: MAN) und Kayser-Threde entwickelt, gebaut und mit einem Airbus-Großraumflugzeug Beluga an den Integrationsort Waco in Texas geliefert. Dutzende von weiteren Firmen aus Europa haben im Unterauftrag von MT-Mechatronics/Kayser-Threde an der Entwicklung des Teleskops mitgearbeitet.

Ende der Mission

Die US-Raumfahrtbehörde NASA und die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR haben im April 2022 die Einstellung des Flugbetriebs des fliegenden Infrarot-Observatoriums SOFIA ab September 2022 beschlossen. Basis für diese Entscheidung war die Einschätzung der "National Academy" in den USA, dass der wissenschaftliche Output des Stratosphären-Observatoriums für Infrarot-Astronomie nicht mehr die Betriebskosten rechtfertige.

Das hat wahrscheinlich auch damit zu tun, dass viele von SOFIAs Aufgaben von einem anderen technischen Wunderwerk übernommen werden können, nämlich vom James Webb Weltraumteleskop. Dabei handelt es sich um ein amerikanisch-kanadisch-europäisches Projekt, gestartet an den Weihnachtsfeiertagen 2021. Es hat seine geplante Umlaufbahn im All schon länger erreicht und Mitte Juni 2022 erste Bilder geliefert. Wie SOFIA kann es das Weltall nach Wärmestrahlung durchforsten und beispielsweise noch tiefer in die Geburtswolken von Galaxien, jungen Sternen und Planeten schauen.

Weitere Informationen:

• Sofia - das fliegende Infrarot-Observatorium (DLR)
• Deutsches SOFIA Institut
• SOFIA Mission (NASA)

SOHO

Siehe Solar and Heliospheric Observatory

Sojus

Die Sojus-Rakete (russ. für Union, Vereinigung; engl. Soyuz) ist eine der Weiterentwicklungen der weltweit ersten Interkontinentalrakete, der R-7, die 1957 zu ihrem Erstflug startete. Mit über 1.900 Flügen seit ihrem Debüt im Jahr 1966 ist die Sojus bis 2021 die am häufigsten eingesetzte Trägerrakete der Welt.

Fast ein Jahrzehnt lang, zwischen dem letzten Flug des Space-Shuttle-Programms im Jahr 2011 und der ersten bemannten Mission der Falcon 9-Rakete von SpaceX im Jahr 2020, waren Sojus-Raketen die einzigen Trägerraketen, die für den Transport von Astronauten zur Internationalen Raumstation geeignet und zugelassen waren.

Eine Sojus-Startrakete hob am 21. Oktober 2011 vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou ab und brachte das erste Paar von Europas Galileo-Navigationssatelliten ins All. Dies war ein historisches Ereignis, da eine Sojus zum ersten Mal von einem anderen Raketenstartplatz als Baikonur or Plessetsk startete.

Kommerziell wurde die Rakete von der französisch-russischen Firma Starsem vermarktet. Mit dem gleichzeitigen Dienstantritt der kleineren Vega-Rakete konnte Arianespace ab 2009 in Kourou Startdienste in allen Nutzlastkategorien anbieten: für leichte Nutzlasten die Vega, für mittelschwere Sojus-ST und für schwere Ariane 5.

Nach der russischen Invasion der Ukraine werden die vom europäischen Startdienstleister Arianespace und dem europäisch-russischen Unternehmen Starsem durchgeführten Sojus-Flüge auf unbestimmte Zeit ausgesetzt. Arianespace teilte Anfang März 2022 mit, man respektiere mit großer Gewissenhaftigkeit die Sanktionen, die von der internationalen Gemeinschaft beschlossen wurden. Die russische Raumfahrtbehörde Roskosmos hatte kurz nach Beginn des Kriegs in der Ukraine angekündigt, ihr Personal von Kourou abzuziehen.

Die in Kourou bislang startende Sojus-ST ist die modernste und leistungsfähigste Variante der Sojus-2-Trägerrakete. Sie verfügt über ein digitales Lenksystem, eine modernisierte erste, zweite und dritte Stufe, eine leistungsfähigere Fregat-Oberstufe sowie eine größere Nutzlastverkleidung. Sie unterscheidet sich ein wenig von ihren in Plessezk und in Baikonur eingesetzten Schwestern, denn sie musste sowohl tropentauglich gemacht werden als auch den westeuropäischen Sicherheitsstandards entsprechen.

Sojus-2 ist die jüngste Version der berühmten russischen Trägerraketenfamilie, die vor mehr als 50 Jahren mit dem Start von Sputnik, dem ersten Satelliten in der Erdumlaufbahn, den Wettlauf ins All eröffnete und anschließend den ersten Menschen ins All schickte. Sojus-2 ist leistungsfähiger und kann bis zu 3 Tonnen in eine geostationäre Transferbahn befördern, verglichen mit den 1,7 Tonnen, die von Baikonur in Kasachstan aus gestartet werden können.

Der neue Startkomplex für die Sojus-ST liegt aus Sicherheitsgründen zwölf Kilometer nordwestlich der Ariane-5-Startanlagen. Er ist 18 Kilometer von Sinnamary und 28 Kilometer von Kourou entfernt. Aufgrund der Nähe zu Sinnamary müsste der neue Sojus-Startplatz eigentlich seinen Namen tragen. Doch im Laufe der Zeit hat sich „Sojus-Kourou“ bereits als Markenname etabliert. Innerhalb des CSG-Geländes verbindet die Raumfahrtstraße „Route de l´Espace“ die verschiedenen Anlagen miteinander.

Der ELS genannte Standort liegt 13 km nordwestlich des Ariane-Startplatzes und besteht aus drei Hauptbereichen: der Startplattform, dem Integrationsgebäude MIK in dem die drei Stufen horizontal montiert und geprüft werden, und dem Startkontrollzentrum. Das MIK ist mit der Startplattform durch eine 700 Meter lange Bahn verbunden, die für den Transport der Rakete in horizontaler Position genutzt wird. Das Startkontrollzentrum ist einen Kilometer von der Startrampe entfernt.

Der mobile Montageturm MBO (Mobilnaïa Bachnia Obslouzhivania) umfasst die Rakete vor dem Start. Er ist 53 m hoch, 29 m tief, 24 m breit und hat eine Masse von 800 t. Er ermöglicht auf 11 Etagen den Zugang zur Rakete. Von ihm aus wird die Nutzlast montiert. Abweichend von dem auf den russischen und kasachischen Startplätzen praktizierten Verfahren, die Rakete einschließlich Nutzlast in horizontaler Lage vollständig zu montieren, wird die Fregat-Oberstufe zusammen mit der Nutzlast mit ihrer Verkleidung am ELS erst nach dem Aufrichten des Trägers mit den Stufen 1 bis 3 auf dem Starttisch in vertikaler Position aufgesetzt. Außerdem befinden sich auf dem Startgelände noch vier große Gittermasten, die als Blitzableiter dienen, sowie Lagertanks für die flüssigen Treibstoffe. (vgl. Foto)

Soyuz Startplatz (Kourou, 2011) Quelle: ESA

Da Kourou viel näher am Äquator als Baikonur liegt, ist es energetisch günstiger von dort geostationäre Satelliten zu starten, so dass eine Sojus in Kourou über eine höhere Nutzlastkapazität als in Baikonur oder Plessezk verfügt. Die Nutzlastkapazität der Sojus-ST wird mit 2.720 kg für einen Geotransferorbit, 1.360 kg für einen geostationären Orbit und 4.350 kg für einen sonnensynchronen Orbit angegeben.

Es erscheint außerdem möglich, die ohnehin schon für bemannte Flüge zugelassene Sojus in Kourou zum Starten von Astronauten einzusetzen. Auch bei einem Flug zu der internationalen Raumstation ISS würde die Nutzlastkapazität der Sojus im Vergleich zu Baikonur steigen. Allerdings gab es bisher keine offiziellen Gespräche zwischen der ESA und Russland, die bemannte Starts in Kourou betreffen, eine solche Möglichkeit wird jedoch für die Zukunft nicht ausgeschlossen.

Vom Beginn des 21. Jahrhunderts bis 2016 war die Sojus die kommerziell erfolgreichste orbitale Rakete der Welt, zudem eine der verlässlichsten mit einer Zuverlässigkeitsquote von 97 %. Außerdem ist sie die einzige aktive Trägerrakete der Russischen Föderation, die für den bemannten Raumflug zugelassen ist. Nach dem russischen Überfall auf die Ukraine wurden Sojusstarts von Guyana gestoppt und geplante Starts für Galileo voraussichtlich zeitlich verzögert mit Ariane-Raketen durchgeführt.

Weitere Informationen:

• Soyuz at the European Spaceport (esa bulletin 132, November 2007)
• Launch Vehicles (ESA)
• STARSEM - Startseite
• Soyuz (ESA - Launch Vehicles)
• Sojus in Kourou (DLR)

Solar and Heliospheric Observatory (SOHO)

Gemeinsam von ESA und NASA entwickeltes und 1995 gestartetes Weltraumobservatorium zur Untersuchung des Inneren der Sonne, ihrer Atmosphäre und des Sonnenwindes. Zusammen mit zwei anderen ESA-Missionen (Cluster und Ulysses) erforscht SOHO die Interaktion zwischen Sonne und Erde unter verschiedenen Perspektiven.

SOHO ist ein dreiachsstabilisierter, modular aufgebauter Satellit, der permanent auf die Sonne ausgerichtet ist. Die Sonde ist rund 4,3 × 2,7 × 3,7 m groß (9,5 m mit ausgefalteten Solarzellen) und etwa 610 kg (1.850 kg beim Start) schwer. Über die High-Gain-Hauptantenne können Bilder und Daten mit einer Rate von 200 kbit/s zur Erde gesendet werden. Als Empfangsstationen dienen die Einrichtungen des Deep Space Network der NASA. SOHO wurde von einem europäischen Team unter Federführung von Astrium (heute Airbus D & S) gebaut.

SOHO bewegt sich auf der sonnenzugewandten Seite der Erde um die Sonne und gleichzeitig um den Lagrange-Punkt L1. Die Sonde hat so einen ungestörten Blick auf die Sonne.

Die Missionsdauer wurde wiederholt verlängert, womit bereits 2007 ein vollständiger 11-jähriger Sonnenzyklus abgedeckt werden konnte. Die Nutzlast von SOHO beinhaltet 12 verschiedene Instrumente, die von 12 internationalen Konsortien aus 26 Instituten in 15 Ländern entwickelt und gebaut wurden. Unter der Gesamtverantwortung der ESA wird SOHO vom Goddard Space Flight Center bei Washington aus operationell betreut.

SOHO Das am 2. Dezember 2005 gestartete SOHO beobachtet das tiefe Innere der Sonne und auch ihre Wechselwirkungen bis in die Erdumlaufbahn und darüber hinaus, wo der magnetisierte Sonnenwind aus Atomteilchen durch den interplanetaren Raum fegt. SOHO sollte bis 1998 in Betrieb sein, aber es war so erfolgreich, dass die ESA und die NASA beschlossen, seine Lebensdauer mehrmals zu verlängern und mehrere Missionsverlängerungen zu befürworten. Quelle: NASA / ESA

Die SOHO-Sonde bewegt sich in einer „Halo-Umlaufbahn“ zwischen Sonne und Erde, und zwar ungefähr an dem Punkt, an dem sich die Kraftfelder von Sonne und Erde gegenseitig aufheben.

Soho wurde entwickelt, um Antworten auf drei grundlegende wissenschaftliche Fragen zu finden:

• Wie sind der Aufbau und die dynamischen Prozesse des Sonneninneren gestaltet?
• Weshalb existiert die Sonnenkorona, und welches sind die Prozesse, die zu ihrer extrem heißen Temperatur von ca. 1 Mio °C führen?
• Wo wird der Sonnenwind erzeugt, und wie wird er beschleunigt?

Hinweise auf das Sonneninnere können durch die Untersuchung seismischer Wellen (Helioseismologie) gewonnen werden, die sich in der turbulenten äußeren Schicht der Sonne bilden, und die sich als Rippeln an der Oberfläche abzeichnen.

SOHO ist nach wie vor das Flaggschiff der Sonnenforschungssonden. Die ESA hat die Mission bis Dezember 2025 verlängert.

SOHO Überblick über die Missionen zur Untersuchung der Sonne und des Sonnenwindes sowie der Beziehungen zwischen Erde und Sonne. Quelle: ESA

Weitere Informationen:

• SOHO (Bernd Leitenberger)
• SOHO (ESA Science & Technology)
• SOHO (NASA)
• SOHO - Two Decades of Discoveries (ESA 2015)

Solar Backscatter Ultraviolet Radiometer (SBUV)

Radiometer, der die vertikale Verteilung und die Gesamtmenge des atmosphärischen Ozons misst. Die Mission ist angelegt um längere Trends bestimmen zu können. SBUV werden auf NOAA-Satelliten mit polarer Umlaufbahn eingesetzt.

Solar Dynamics Observatory (SDO)

Eine am 11. Februar 2010 gestartete NASA-Mission zur Erforschung der dynamischen Vorgänge der Sonne, die unter dem LWS-Programm (von engl. Living With a Star) entwickelt wurde. SDO führt die Messungen der Sonde SOHO fort, es war Anfang 2021 noch immer aktiv.

Als Trägerrakete kam eine Atlas-V zum Einsatz, die den Satelliten von Cape Canaveral in eine geostationäre Transferbahn befördert hat. SDO hat sich von dort mit Hilfe seines eigenen Triebwerks durch elf Schubmanöver in eine geosynchrone Umlaufbahn mit einer Bahnneigung von 28,5° manövriert, die es am 16. März 2010 erreichte. Die Mission hat eine Mindestdauer von fünf Jahren und drei Monaten, jedoch wird genügend Treibstoff für eine zehnjährige Mission mitgeführt.

SDO ist ein drei-Achsen-stabilisierter Satellit von 2,2 Meter mal 2,2 Meter mal 4,5 Meter Größe, der als Ganzes mit Instrumenten und Solarpaneelen direkt auf die Sonne ausgerichtet wird. Er besitzt ein Apogäumstriebwerk zum Einschuss in die geosynchrone Umlaufbahn sowie verschiedene kleine Lageregelungstriebwerke. Die Startmasse beträgt 3100 kg, davon entfallen 1400 kg auf den mitgeführten Treibstoff und 270 kg auf die wissenschaftliche Nutzlast. Die Solarpaneele mit einer Fläche von 6,6 m² und einer Spannweite von 6,5 m produzieren 1450 Watt Leistung.

SDO hat folgende drei Instrumente an Bord:

• Extreme Ultraviolet Variability Experiment (EVE): Das vom Laboratory for Atmospheric and Space Physics entwickelte EVE dient zur Messung der solaren extrem-ultravioletten Strahlung (EUV) im Bereich von 0,1–105 nm mit bisher nicht erreichter Genauigkeit der Spektralauflösung (besser als 0,1 nm) bei gleichzeitiger hoher zeitlicher Auflösung (alle 10 s ein Bild).
• Helioseismic and Magnetic Imager (HMI): Der von der Stanford University entwickelte Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) ermöglicht Messungen der solaren Veränderlichkeit sowie verschiedener Komponenten der solaren magnetischen Aktivität.
• Atmospheric Imaging Assembly (AIA): Die vom Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory entwickelte Atmospheric Imaging Assembly (AIA) ermöglicht Abbildungen der vollen Sonnenscheibe in neun verschiedenen Wellenlängenbereichen im ultravioletten (UV) und extrem-ultravioletten (EUV) Frequenzbereich, sowie einem im sichtbaren Bereich mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Das mit vier Kameras ausgerüstete AIA macht dabei alle 10 s ein Bild in HDTV-Auflösung in acht der zehn Frequenzbereiche und einer Auflösung von 725 km.

Weitere Informationen:

• SDO (NASA GSFC)
• Solar Dynamics Observatory (NASA)

Solar Orbiter

Raumsonde der ESA mit starker Beteiligung der NASA, die mit einer amerikanischen Atlas-V-Trägerrakete gestartet werden soll. Es handelt sich um die erste Mittelklasse-Mission des Wissenschaftsprogramms Cosmic Vision 2015–2025 der ESA. Der von Airbus in Stevenage (UK) gebaute Solar Orbiter wird die Sonne und ihre Wirkung auf das Sonnensystem mit bisher unerreichter Genauigkeit untersuchen. Die Raumsonde verfügt über ein umfangreiches Set an Instrumenten, die Teilchen, Felder und Wellen des Plasmas messen, das sie durchqueren wird. Zugleich wird sie Oberfläche und äußere Atmosphäre der Sonne – Photosphäre und Korona – beobachten. Dabei wird der Solar Orbiter Strukturen in der Sonnenkorona ab einer Größe von 35 Kilometern aufnehmen können.

Solar Orbiter: Betrieb in extremen Umgebungen Der Solar Orbiter muss bei seiner Annäherung an die Sonne jahrelang in einer der feindlichsten Regionen des Sonnensystems operieren. So nahe an der Sonne wird das Raumschiff dem Sonnenlicht 13 Mal intensiver ausgesetzt sein als das, was wir auf der Erde empfinden. Das Raumschiff muss auch starke Ausbrüche von Teilchenstrahlung aus Explosionen in der Sonnenatmosphäre ertragen. Der Hitzeschild des Raumschiffs ist der Schlüssel zur Ermöglichung dieser Mission, die Temperaturen von 500° C aushalten kann. Kleine Schiebetüren mit hitzebeständigen Fenstern lassen das Sonnenlicht in die wissenschaftlichen Instrumente eindringen, die sich direkt hinter dem Hitzeschild befinden. Quelle: ESA

Die starke Annäherung an die Sonne bedeutet, dass manche Teile der Raumsonde Temperaturen von bis zu 500 Grad Celsius aushalten müssen. Zum Schutz verfügt die Sonde über ein Hitzeschild, bestehend aus einer Titankonstruktion, welche die Wärme seitlich ableitet. Der Hitzeschild ist zusätzlich mit einer tiefschwarzen Beschichtung überzogen, die z. T. aus verbrannten und zerkleinerten Tierknochen besteht. In ihm lassen sich zeitweise kleine Luken öffnen, durch die Kameras hindurchschauen können. Dahinter schirmen 29 weitere Schichten die Instrumente im Innern vor der Hitze ab. Der Schutzschild ist ingesamt vierzig Zentimeter dick. Somit liegt die komplette Sonde hinter ihm im Schatten. Andere Teile sind im ständigen Schatten eisigen Temperaturen von bis zu minus 180 Grad Celsius ausgesetzt. Damit die hochempfindlichen Instrumente Magnetfelder und Teilchen der Sonne messen können, muss die Sonde selbst für die Sensoren unsichtbar sein.

Am sonnennächsten Punkt wird Solar Orbiter der Sonne mit einem Abstand von 0,28 Astronomischen Einheiten (AE) – das entspricht etwa einer Entfernung von 42 Millionen Kilometern – näher sein als der Planet Merkur. Im Laufe der Mission wird sich die Raumsonde aus der Ekliptikebene herausbewegen. So sind Langzeitbeobachtungen eines Ausschnitts der Sonnenoberfläche und ein Blick auf die Pole der Sonne möglich. Die Polregionen sind besonders wichtig für das Studium des Magnetfeldes, dessen Linien dort aus dem Sonneninnern austreten.

Noch nie ist eine Raumsonde der Sonne so nahegekommen. Hier ist das Sonnenlicht dreizehnmal so intensiv wie für die Satelliten in der Erdumlaufbahn. Der Solar Orbiter muss intensiver Wärmestrahlung standhalten und den Schutz seiner Instrumente gewährleisten, ohne den Blick auf die Sonne zu versperren. Der Hitzeschild und die neue Hochtemperatur-Solarpaneel-Technologie sind zentrale Faktoren für den Erfolg der Mission. Um sich zu positionieren und den Orbit über den Polen zu erhöhen, wird Solar Orbiter eine Reihe komplexer Vorbeiflug-Manöver durchführen und so die Anziehungskräfte von Erde und Venus nutzen.

Die Sonne stößt bei Eruptionen Hochenergieteilchen aus (koronale Massenauswürfe), die Stromverteilungssysteme stören, Computer zum Absturz bringen, Satelliten beschädigen und Astronauten gefährden können. Solar Orbiter wird die Sonne aus einer elliptischen Umlaufbahn um das Gestirn beobachten und wissenschaftliche Daten liefern, die zu einem besseren Verständnis der Abläufe beitragen, die auf der Sonne diese heftigen und gefährlichen Eruptionen auslösen.

Die vier wissenschaftlichen Hauptfragen der Solar Orbiter-Mission sind:

• Wie und wo entstehen Plasma und Magnetfeld des Sonnenwindes in der Korona?
• Wie verursachen vorübergehende Ereignisse auf der Sonne  die heliosphärische Variabilität?
• Wie erzeugen Sonneneruptionen die energetische Teilchenstrahlung, die die Heliosphäre ausfüllt?
• Wie funktioniert der solare Dynamo und wie beeinflusst der die Beziehungen zwischen Sonne und Heliosphäre?

Solar Orbiters Set von zehn Instrumenten Es gibt zwei Arten: Die In-situ-Instrumente messen die Bedingungen um das Raumschiff selbst. Die Fernerkundungsinstrumente messen, was in großer Entfernung geschieht. Zusammen können beide Datensätze verwendet werden, um ein vollständigeres Bild der Vorgänge in der Korona der Sonne und des Sonnenwindes zu erhalten. Quelle: ESA

Vor dem 1,8 Tonnen schweren Orbiter liegt eine lange Reise. Bis auf 42 Millionen Kilometer soll der Satellit an die Sonne heranfliegen. In dieser Entfernung ist die Intensität der Sonne nach Angaben der ESA bereits 13 Mal so hoch wie auf der Erde. Solar Orbiter hat zehn wissenschaftliche Instrumente an Bord, die von Instituten in verschiedenen europäischen Ländern entwickelt und zugeliefert wurden, eines von der amerikanischen NASA. Sie sollen sowohl aus der Ferne Messungen vornehmen, als auch die direkte Umgebung des Solar Orbiters analysieren.

Gesteuert wird die Sonde vom Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt aus, die wissenschaftliche Leitung liegt beim Europäischen Weltraumastronomiezentrum (European Space Astronomy Centre, ESAC) im spanischen Villanueva de la Cañada.

Die fast 1,5 Milliarden Euro teure Mission ist für zunächst sieben Jahre finanziert (einschließlich der Transferphase), weitere drei Jahre sind für eine erweiterte Mission vorgesehen. Der Start erfolgte am 10. Februar 2020 mit einer Atlas V 411 von Cape Canaveral aus.

Weitere Informationen:

• Solar Orbiter - Blick zur Sonne (ESA)
• Solar Orbiter (ESA)
• Solar Orbiter (ESA Science & Exploration)
• Solar Orbiter - Launch Media Kit (ESA)
• Solar Orbiter Mission (eoPortal Directory)
• Solar Orbiter - Erforschung der Sonne und der Heliosphäre (DLR)

Solarkonstante

Bezeichnung für die näherungsweise konstante Bestrahlungsstärke der Sonnenstrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre bei einem mittleren Sonnenabstand. Die Solarkonstante wird für eine Fläche senkrecht zur Einstrahlung mit 1368 W/m² bzw. 8,15 J/(m²·min) angegeben. In Abhängigkeit zu solaren Aktivitätsschwankungen erfährt die Solarkonstante kurzfristige Änderungen in der Größenordnung von etwa 4 W/m², für längerfristige Schwankungen werden Änderungen der Bestrahlungsstärke von bis zu einem Prozent der Solarkonstanten angenommen.

Insgesamt (integriert über die Querschnittsfläche der Erdkugel von 1,3 · 10¹⁴ m²) stehen der Erde damit 1,76 · 10¹⁴ J/s zur Verfügung. Bezogen auf die Erdoberfläche von 5,1 · 10¹⁴ m² sind das 342 W/m².

SONAR

Engl. Akronym für Sound Navigation and Ranging, dt. etwa Navigation und Entfernungsmessung durch Wasserschall; Bezeichnung für eine Messtechnik zur Ortung und Vermessung von Gegenständen vorwiegend unter Wasser mit Hilfe des Echos von Schall- oder Ultraschallwellen, gleichzeitig auch die Bezeichnung für die Messgeräte selbst. Sonar nutzt die Tatsache aus, dass sich Schall unter Wasser insbesondere bei hohen Frequenzen sehr viel verlustärmer ausbreitet als in der Luft.

Die grundsätzliche Funktionsweise dieser 'aktiven' Sonar-Systeme ist immer gleich: Es wird eine Schallwelle erzeugt, das Echo registriert und aus der gemessenen Laufzeit der Welle die Entfernung zum reflektierenden Objekt errechnet. Bei herkömmlichen Sonar-Systemen wird der Schall gebündelt und in eine genau definierte Richtung emittiert; aus der Laufzeit des Echos kann daher die Lage des reflektierenden Objektes im dreidimensionalen Raum errechnet werden.

Seitensichtsonar (Side-Scan Sonar) Zur Erhebung von bildfähigen Daten des Meeresbodens mit einem Seitensichtsonar zieht man das Instrument über das Untersuchungsgebiet. Das von einem Schiff geschleppte Gerät ist mit einer gereihten Anordnung von Messwertgebern ausgerüstet, die Akustikimpulse in einem bestimmten Frequenzbereich aussenden und später wieder empfangen. Die Gestalt des Akustikimpulses ist quer zur Bewegungsrichtung breit (Fächerform) und in Bewegungsrichtung schmal. Die akustische Energie, die vom Sonargerät empfangen wird, liefert Informationen zur allgemeinen Verbreitung und Charakteristik der oberflächennahen Sedimente und Gesteinsausbisse. Wenn alle anderen Parameter konstant sind, streut eine rauere Oberfläche i.a. stärker zurück als eine glattere Oberfläche. Schatten resultieren aus Stellen ohne Energierückfluss, wie z.B. die Schatten von großen Felsblöcken oder gesunkenen Schiffen und tragen so zur Interpretation des Sonogramms bei. In der Grafik rechts erscheinen starke Reflexionen (high backscatter) , z.B. von Felsblöcken, Kies und vertikale Strukturen im Sonogramm hellgrau, schwache Reflexionen (low backscatter) von feinerem Sediment oder Schatten sind dunkelgrau. Quelle: Woods Hole Science Center

Anders verhält es sich beim Sidescan-Sonar (engl. side-scan sonar, Kurzform: SSS): Hier werden gleichzeitig zwei fächerförmige Impulse ("pings") quer zur Fahrtrichtung des Schiffes ausgesendet, jeweils einer nach links und einer nach rechts. Dieses zwei pings erzeugen durch ihre breite Fächerform eine große Anzahl an Echos, ohne dass jedoch die Richtung, aus der diese Echos kommen, bekannt wäre; die einzigen bekannten Parameter sind die Dauer ihrer Laufzeit und ihre Intensität. Es ist daher nicht möglich, mit herkömmlichen Methoden aus diesen Daten dreidimensionale Geländemodelle zu erstellen, vielmehr ähneln die Ergebnisse Luftbildern: auch in diesen sind keine dreidimensionalen Daten enthalten, sie stellen lediglich die Projektion einer Szene auf eine Ebene dar.

Mit Side-Scan Sonar können Objekte geortet werden, die mit optischen Mitteln in trübem Wasser nicht aufzufinden sind. Die Frequenzen, mit denen Sidescan-Sonare betrieben werden, bewegen sich zwischen 6,5 kHz und 1 MHz, die Reichweite kann zwischen wenigen Metern und 60 km betragen, und die Auflösung reicht von wenigen Zentimetern bis zu 60 m; wie bei allen auf der Emission von Wellen basierten Systemen (Radar/Bodenradar, Lidar) gilt auch für Sonar-Systeme der Zusammenhang zwischen Frequenz, Auflösung und Reichweite: höhere Frequenzen bringen eine bessere Auflösung bei einer geringeren Reichweite. Viele moderne Systeme können deshalb mit verschiedenen Frequenzen betrieben werden, um sie möglichst vielseitig einsetzen zu können.

Seitensichtsonare werden sowohl im militärischen Bereich (U-Bootjagd, Minenortung etc.) als auch in der Wissenschaft (Biologie, Geologie, Unterwasser-Archäologie) und im privaten Bereich (Schifffahrt allgemein, Fischerei) eingesetzt, und Rettungsorganisationen verwenden hochauflösende Sonar-Systeme zur Ortung Ertrunkener.

Echolote (Echo-Sounder), Fächerecholote (Multibeam-Echosounder) und Sedimentsonare (Subbottom-Profiler) sind Systeme, die auf den gleichen technischen Grundlagen basieren, jedoch mit anderen Frequenzen und Messgeometrien arbeiten; auch die Art der Datenauswertung unterscheidet sich zum Teil erheblich von den bei Sidescan-Sonaren angewendeten Methoden.

Neben dem bisher beschriebenen aktiven SONAR gibt es auch 'passives Sonar'. Dabei werden nur die von Objekten (Schiffe, Wale usw.) eigenständig generierten Signale bzw. Geräusche empfangen. Das passive Sonar sendet selbst keine Schallwellen aus und ist daher, im Gegensatz zum aktiven Sonar, nicht zu orten. Der Begriff kann sich auch auf den passiven Betriebsmodus eines auch zum aktiven Senden fähigen Ortungssystems beziehen. In beiden Betriebsarten kann die Richtung des einfallenden Schalles bestimmt werden, eine präzise und verlässliche Entfernungsmessung ist jedoch oft nur im aktiven Betriebsmodus möglich.

Weitere Informationen:

• International Society of Acoustic Remote Sensing of the Atmosphere and Oceans (ISARS)
• WHSC Sea-Floor Mapping (USGS HWSC)

Sonarerkundung

Aktive Technik der Fernerkundung, die auf Schallwellen beruht und u.a. zur Erforschung des Meeresgrundes von Schiffen aus dient. Ausgesandte akustische Wellen werden an Grenzflächen reflektiert, aufgefangen und registriert.

Weitere Informationen:

• Erfassung des Meeresbodens mit Seitensicht-Sonar (FA der Bundeswehr für Wasserschall und Geophysik)

Sonde

Siehe Raumsonde

Sonnenphotometer

Messgerät zur Ermittlung der Intensität der direkten Sonnenstrahlung; dadurch können Rückschlüsse auf die aktuelle Zusammensetzung der Atmosphäre gezogen werden.

Sonnenstrahlung

Syn. Solarstrahlung, solare Strahlung, engl. solar radiation, fr. rayonnement solaire; die von der Photosphäre der Sonne emittierte elektromagnetische Strahlung, die nach dem Plancksches Strahlungsgesetz der Strahlung eines Schwarzen Körpers der Temperatur 5800 K entspricht. Die Photosphäre ist eine 300 bis 400 km dicke Schicht, die als Oberfläche der Sonne gilt.

Der mittlere Energiefluss der Sonnenstrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre (extraterrestrische Sonnenstrahlung) wird als Solarkonstante bezeichnet. Das Maximum der spektralen Energieverteilung tritt im sichtbaren Bereich nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz bei 0,48 µm auf. Das solare Strahlungsspektrum wird in drei Bereiche eingeteilt: ultravioletter Bereich 0,1-0,4 µm, sichtbarer Bereich 0,4-0,75 µm, nahes und mittleres Infrarot 0,75-30 µm.
99 % der Energieabstrahlung erfolgt im Wellenlängenbereich 0,23-5 µm. An der Obergrenze der Atmosphäre sind davon 9 % UV-Strahlung, 45 % sichtbares Licht und 46 % Infrarotstrahlung.

Beim Durchgang durch die Atmosphäre wird die Sonnenstrahlung insgesamt abgeschwächt (Extinktion), in einigen Wellenlängenbereichen erfolgt sogar eine fast gänzliche Auslöschung der Strahlung durch die atmosphärischen Gase und Spurenstoffe. Dies gilt u.a. für Wellenlängen < 0,29 mm, die in der zwischen 20-50 km auftretenden Ozonschicht weitestgehend absorbiert werden. Dadurch wird das Leben auf der Erde vor der gefährlichen UV-Strahlung geschützt. Besonders im Infrarotbereich wird die Sonnenstrahlung von Wasserdampf- und Kohlendioxidmolekülen absorbiert, während das gesamte Spektrum durch die Dunstabsorption erheblich abgeschwächt wird.

Weitere Schwächungen erfolgen durch die Streuung an Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen, Dunstpartikeln und Wolken. Daraus ergibt sich die sog. diffuse Himmelsstrahlung. Neben dieser diffusen Himmelsstrahlung erreicht ein Teil der Strahlung ohne Änderung der Frequenz (Transmission) die Erdoberfläche direkt (direkte Strahlung). Zusammen bilden sie die Globalstrahlung als Bezeichnung für die zweikomponentige Bestrahlung der Erdoberfläche.

Reflektierte Einstrahlung sowie von der Erdoberfläche nach Absorption der Einstrahlung im Infrarot emittierte Wärmestrahlung sind die Quellen der in der Fernerkundung auszuwertenden elektromagnetischen Strahlung.

(Satelliten-)Sensoren können reflektiertes Sonnenlicht (= elektromagnetische Strahlung) von Objekten empfangen. Dabei registriert der Sensor eine Summe verschiedener Strahlungen. Trifft die Globalstrahlung auf ein Objekt auf der Erde, wird sie von diesem absorbiert, gestreut oder reflektiert. Bei der Absorption und Streuung wird die Strahlung zudem in Energie (z.B. Wärmeemissionen) umgewandelt. Auch auf dem Weg zum Sensor wird die reflektierte Strahlung erneut gestreut, absorbiert und reflektiert. Den Satellitensensor erreicht also nur ein reduzierter Anteil der ursprünglichen Strahlung. Dabei stellt die Reflektion und Absorption an Wolken ein großes Problem für die Fernerkundung dar. Denn nur bei wolkenfreiem Himmel können Objekte, die sich auf der Erdoberfläche befinden, in Satellitenaufnahmen abgebildet werden.

Sensoren, die die elektromagnetische Strahlung empfangen, werden auch als passive Systeme bezeichnet. Zu ihnen zählen die Satelliten der Sentinel-2 Mission der ESA. Die Landsat Satelliten der NASA, an die Sentinel-2 angelehnt ist, nehmen zudem noch die emittierte Wärmestrahlung (Thermalstrahlung) mit auf.

sonnensynchrone / heliosynchrone Umlaufbahn (SSO)

Engl. sun-synchronous orbit (SSO), franz. orbite héliosynchrone; polnahe, kreisförmige Umlaufbahn von Satelliten, die den Äquator stets zur selben Ortszeit (z.B. 9h30) überqueren, so dass im Rahmen des Möglichen gleichbleibende Aufnahmebedingungen gegeben sind. Die aufeinanderfolgenden N-S-Umläufe werden in gleichem Maße nach W verlagert wie sich die Erde während eines Umlaufs um ihre eigene Achse dreht. Auf diese Weise hält der Satellit Schritt mit der westwärtigen Bahn der Sonne. Nach einer gewissen Zahl von Umrundungen hat der Satellit die gesamte Erdoberfläche erfasst. Einige Satelliten arbeiten mit einem breiten Abtastfeld und können die Erde deshalb in nur wenigen Umrundungen völlig erfassen. Hochauflösende Satelliten tasten hingegen jeweils nur einen engen Bereich ab und benötigen mehrere Tage, um die gesamte Erdoberfläche zu erkunden. Der relativ niedrige Orbit (600 - 1000 km) erleichtert aber generell eine hohe räumliche Auflösung.

Um diese Besonderheit zu erreichen, muss sich der Satellit auf einer niedrigen Erdumlaufbahn mit einer Inklination zum Erdäquator von rund 98 Grad bewegen. Diese Bahn ist etwas stärker geneigt als die klassische polare Bahn mit 90 Grad und damit leicht retrograd. Das heißt, die Bewegungsrichtung des Satelliten über der Oberfläche ist etwas entgegen der West-Ost-Richtung der Erde geneigt. Die Umlaufdauer eines Satelliten auf sonnensynchroner Umlaufbahn beträgt ca. 1,5 h.

Durch die Rotation der Erde unter seiner Bahn tastet der Satellit bei jeder Umlaufbahn eine neue Bodenspur ab, bis er nach einer bestimmten Zeit (Repetitionsrate) eine Bodenspur wiederholt aufnimmt.

Derartige Satelliten dienen der Erderkundung und der optischen Aufklärung.

Sonnensynchrone Umlaufbahn Eine sonnensynchrone Umlaufbahn überquert den Äquator jeden Tag (und jede Nacht) ungefähr zur gleichen Ortszeit. Diese Umlaufbahn ermöglicht konsistente wissenschaftliche Beobachtungen, wobei der Winkel zwischen Sonne und Erdoberfläche relativ konstant bleibt. Diese Abbildungen zeigen 3 aufeinanderfolgende Bahnen eines sonnensynchronen Satelliten mit einer äquatorialen Überquerungszeit von 13:30 Uhr. Die jüngste Umlaufbahn des Satelliten wird durch die dunkelrote Linie angezeigt, während ältere Umlaufbahnen heller rot sind. Quelle: NASA Earth Observatory

Die wiederholbaren Beleuchtungsverhältnisse erleichtern die Bildinterpretation und -bearbeitung wie z.B. das Zusammenfügen von überlappenden Bildern zu einem Mosaik oder das Vergleichen von Bildern derselben Gegend, die zur gleichen Jahreszeit, aber in verschiedenen Jahren aufgenommen wurden. Allerdings schließt ein sonnensynchroner Orbit nicht jegliche Beleuchtungsvariationen aus. Der Sonnenstand und die Beleuchtungsintensität ändern sich in Abhängigkeit von Breite und Jahreszeit. Auch verursachen Schwankungen der atmosphärischen Bedingungen Beleuchtungsänderungen zwischen einzelnen Szenen.

Heliosynchrone Umlaufbahnen Alle aktiven sonnensynchronen Satellitenorbits mit Bahnkreuzungen am Nordpol, ca. 2008. Quelle: SatMagazine

Sonnenwind

Syn. Solarwind; ionisierter Partikelstrom, der kontinuierlich von der Sonne ausgeht, bestehend aus Protonen (Wasserstoffionen), Alphateilchen (Heliumionen) und geringen Mengen weiterer Ionen und Elektronen. Die Bahnen des Sonnenwindes im interplanetarischen Raum werden durch das solare Magnetfeld festgelegt. Dieses ändert sich in Abhängigkeit zu den solaren Aktivitätsschwankungen, die wiederum eng mit der Zahl der auftretenden Sonnenflecken korrelieren. Der Sonnenwind erreicht in Abhängigkeit zu den solaren Aktivitätsschwankungen die Erde auf sehr unterschiedlichen Bahnen aus unterschiedlichen Richtungen. Das hat erhebliche Folgen für die Struktur und die Intensität der Störungen des erdmagnetischen Feldes sowie der daraus resultierenden solarterrestrischen Erscheinungen wie Polarlichter, Funkwellenstörungen und möglicherweise auch Wetter- und Klimabeeinflussungen.

Weitere Informationen:

• Sonnenstürme und Sonnenaktivität: Antworten auf die zehn wichtigsten Fragen (MPI für Sonnensystemforschung)
• Space Weather Prediction Center (NOAA)

Sonnenzeit

Zeitskala, die für einen bestimmten Ort auf der Dauer des Sonnentages beruht und demnach fest mit der Erdrotation verknüpft ist. Die Sonnenzeit orientiert sich am Sonnenstand und ist folglich vom Längengrad des Ortes abhängig. Man unterscheidet:

• Die wahre Sonnenzeit (auch: wahre Ortszeit): Wenn die Sonne ihren höchsten Punkt erreicht und damit den Meridian schneidet, gibt die wahre Ortszeit 12 Uhr an. Das ist auch die Zeit, die vor allem ältere Sonnenuhren anzeigen. Aufgrund der elliptischen Bahn der Erde um die Sonne geht eine solche Uhr gemessen an einer Atomuhr je nach Jahreszeit bis zu 16 min vor oder nach.
• Die mittlere Sonnenzeit (auch: mittlere Ortzeit): Gleicht man die jahreszeitlichen Schwankungen der wahren Sonnenzeit aus, erhält man die mittlere Sonnenzeit. Dabei handelt es sich um die Zeit, die eine Sonnenuhr anzeigen würde, wenn die Bahn der Erde um die Sonne ein exakter Kreis und die Erdachse nicht geneigt wäre. Die mittlere Sonnenzeit ist vor allem für astronomische Beobachtungen von Bedeutung sowie früher auch für die Navigation.

SORCE

Engl. Akronym für Solar Radiation and Climate Experiment; 2003 gestartete Mission der NASA und der Universität von Colorado zur Messung der Gesamtstrahlung und des gesamten Strahlungsspektrums der Sonne als Grundlage für die Klimaforschung. Am 25. Februar 2020 ging der Satellit wegen Batterieproblemen außer Betrieb. Der Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wurde für das Jahr 2032 berechnet.

SORCE fliegt in 645 km Höhe auf einer nicht-sonnensynchronen Bahn mit einer Inklination von 40°. SORCE war Bestandteil der Earth Observing Systems. Der Satellit nutzte folgende 4 Instrumente:

• Total Irradiance Monitor (TIM)
• Spectral Irradiance Monitor (SIM)
• Solar Stellar Comparison Experiment (SOLSTICE)
• Extreme Ultraviolet Photometer System (XPS)

Weitere Informationen:

• SORCE Brochure (NASA)
• SORCE - Startseite (NASA, LASP)
• SORCE (NASA, EO)
• SORCE Profil (CEOS EO Handbook)

Sounder

Dt. Sondierer; unscharf definierter, i.a. für nicht-abbildende, passive Fernerkundungssensoren verwendeter Begriff, die Höhen-Profillinien von Druck, Temperatur oder Spurengaskonzentrationen in der Atmosphäre erfassen. Viele Sounder arbeiten nach dem Prinzip der "Horizontsondierung" (Limb Sounder) oder der Okkultation. Profilinformation kann aber auch aus geschickten Auswertungen der Druck- oder Temperaturabhängigkeiten der atmosphärischen Spektren gewonnen werden.

Typische horizont-sondierende Sounder zur Bestimmung von Spurengasprofilen für atmosphärenchemische Untersuchungen sind beispielsweise MAS und MIPAS. HIRS oder MHS sind Beispiele für Sounder, die eher für meteorologische Fragestellungen optimiert sind.

Space Environment Monitor (SEM/2)

Instrumentesatz an Bord von NOAA-L zur Bestimmung der Intensität der irdischen Strahlungsgürtel und des Flusses von geladenen Partikeln in Satellitenhöhe. Die Instrumente liefern Informationen über solar-terrestrische Phänomene und warnt vor Sonnenwind-Ereignissen, welche den Funkverkehr beinträchtigen und Satelliten schädigen können.

Space Reconnaissance

Engl. Begriff für weltraumgestützte Spionage/Aufklärung, gewöhnlich mit Hilfe von Satelliten. Space Reconnaissance gilt als im kalten Krieg entstandene militärische Vorläuferin, bzw. nunmehr Schwester der zivilen Satellitenfernerkundung. Wichtige US-amerikanische Programme trugen die Code-Namen CORONA, Argon, Lanyard, Gambit, Hexagon, Lacrosse, Vega.

Ein besonderer Vorteil der Space Reconnaisance ist, dass anders als bei der riskanten Spionage mit hochfliegenden Spezialflugzeugen die territoriale Integrität des auszuforschenden Landes nicht verletzt wird.

Für die Zeit der Konfrontation während des Kalten Krieges besaß die Satellitenaufklärung eine stabilisierende Rolle für das "Gleichgewicht des Schreckens". Seit dem Ende der O-W-Konfrontation erzeugen lokale "Schurkenstaaten", internationaler Terrorismus und die Verbreitung von Massenvernichtungswaffen reichlich Überwachungsbedarf. In den Konflikten, an denen die USA militärisch beteiligt sind, fungiert Satellitenaufklärung als ein Überlegenheit stiftendes Instrument des 'heißen Krieges'. Bei den Einsätzen von Bagdad über Belgrad zu erneut Bagdad unterstützt sie Zielplanung, Zielfindung und die anschließende 'Evaluation' angerichteter Zerstörung.

Klassische Spionagesatelliten decken 'nur' den Frequenzbereich des sichtbaren Lichts und einen schmalen Beobachtungsstreifen von 4 bis 36 km Breite ab, bieten aber hohe optische Auflösungen. Bei den aktuellen Modellen wird ein Auflösungsvermögen von ca. 10 cm vermutet. Neuere Systeme arbeiten auch mit Infrarot- oder Radarsensoren.

Weitere Informationen:

• U.S. Satellite Imagery, 1960-1999 (NSA Archive)

Space Shuttle

Flotte von 5 wieder verwendbaren Raumtransportern der NASA, dessen erstes Exemplar Columbia am 12. April 1981 zu einem zweitägigen Raumflug startete, bei dem es die Erde 36-mal umkreiste. Davon war bis zuletzt noch eins (Atlantis) im Einsatz. Zwei Space Shuttles (Columbia und Challenger) wurden bei Unglücken zerstört. Die missionsreichste Raumfähre, die Discovery, wurde im März 2011 außer Dienst gestellt, die Endeavour im Juni 2011.

Space Shuttle-Atlantis lift-off Atlantis hebt am 14. Mai 2010 um 14:20 Uhr EDT von der Startrampe 39A im Kennedy Space Center der NASA in Florida zur Mission STS-132 zur Internationalen Raumstation ab. Dies war einer der letzten planmäßigen Flüge für Atlantis, bevor das Shuttle ausgemustert wurde. Eine Abgasfahne umgibt die mobile Startplattform auf der Startrampe 39A, Kennedy Space Center, Fla., während Atlantis abhebt. STS-132 ist der 132. Shuttle-Flug, der 32. für Atlantis und die 34. Shuttle-Mission, die der Montage und Wartung der Internationalen Raumstation gewidmet ist. Quellen: NASA

Das Space Shuttle startete mit Hilfe eines externen Treibstofftanks von 47 Metern Länge mit flüssigem Wasserstoff als Treibstoff und flüssigem Sauerstoff als Oxidationsmittel für die drei Hauptraketentriebwerke und zweier Feststofftriebwerke von 45,6 Meter Länge. Beim Start war der Raumtransporter insgesamt 56 Meter lang. Dabei wurden alle Triebwerke gezündet, etwa zwei Minuten nach dem Start wurden die wiederverwendbaren Feststofftriebwerke abgesprengt und schwebten an Fallschirmen zur Erde. Der Zusatztank wurde nach dem Verbrauch des Treibstoffs ebenfalls abgestoßen und verglühte anschließend in der Erdatmosphäre.

Kernstück der Raumfähre war der Orbiter, also jenes einem Flugzeug ähnliche Teil des Transporters, der in die Erdumlaufbahn gelangte und nach Abschluss der Mission wie ein antriebsloses Gleitflugzeug auf der Erde landen konnte. Der Orbiter war 37,24 Meter lang, besaß eine Flügelspannweite von 23,79 Metern und bot Platz für maximal sieben Besatzungsmitglieder.

Der Orbiter hatte etwa die gleiche Größe und das gleiche Gewicht wie ein DC-9-Flugzeug und enthielt den unter Druck stehenden Mannschaftsraum (der normalerweise bis zu sieben Besatzungsmitglieder aufnehmen konnte), den riesigen Frachtraum und die drei an seinem hinteren Ende montierten Haupttriebwerke. Es gab drei Ebenen zur Mannschaftskabine. Die oberste war das Flugdeck, auf dem der Kommandant und der Pilot die Mission kontrollierten. Auf dem Mitteldeck befanden sich die Galerie, die Toilette, die Schlafstationen und die Lager- und Experimentierschränke für die Grundbedürfnisse des schwerelosen Alltags. Im Mitteldeck befand sich auch die Luftschleuse zum Frachtraum und dem dahinter liegenden Raum. Durch diese Luke und Luftschleuse zogen die Astronauten ihre Raumanzüge und bemannten Manövriereinheiten an, um sich auf die Aktivitäten außerhalb des Fahrzeugs vorzubereiten, die im Volksmund als Weltraumspaziergänge bezeichnet werden.

Der Frachtraum des Space Shuttles war für Hunderte von Aufgaben geeignet. Er war groß genug, um einen Reisebus (18,3 × 4,6 m) aufzunehmen, und trug Satelliten, Raumfahrzeuge und das wiederverwertbare Spacelab in die Erdumlaufbahn und zurück. Er war auch eine Arbeitsstation für die Astronauten zur Reparatur von Satelliten, ein Unterbau, von dem aus Weltraumstrukturen aufgebaut werden konnten, und ein Laderaum für zurückgeholte Satelliten, die zur Erde zurückgebracht werden sollten. Eine Isolierung aus Wärmeplatten und Decken (auch als Wärmeschutzsystem oder TPS bekannt) bedeckten den Unterbauch, die Unterseite der Flügel und andere wärmeleitende Oberflächen des Orbiters, um ihn bei seinem feurigen Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zu schützen. Die 24.000 einzelnen Kacheln des Shuttles wurden hauptsächlich aus reinen Sand-Silikatfasern hergestellt, die mit einem keramischen Bindemittel vermischt wurden. Die Feststoffraketen-Booster (SRBs) wurden als ein internes Projekt des Marshall Space Flight Center entworfen, wobei United Space Boosters als Auftragnehmer für die Montage und Überholung fungierte. Der Feststoffraketenmotor (SRM) wurde von der Morton Thiokol Corporation geliefert.

Space Shuttle Orbiter - beschriftetes Schnittbild Der Orbiter war sowohl das Gehirn als auch das Herz des Raumtransportsystems (STS). Der Orbiter hat etwa die gleiche Größe und das gleiche Gewicht wie ein DC-9-Flugzeug und enthält den unter Druck stehenden Mannschaftsraum, den riesigen Frachtraum und die drei an seinem hinteren Ende montierten Haupttriebwerke. Der Frachtraum des Space Shuttles war für Hunderte von Aufgaben geeignet. Der Laderaum trug Satelliten, Raumfahrzeuge und das wiederverwertbare Spacelab in die Erdumlaufbahn und zurück. Quelle: NASA MSFC

Eine der Aufgaben des Space Shuttles war bis zum Challenger-Unglück der Transport von Satelliten in seiner Ladebucht und deren Aussetzung in ihre Umlaufbahn. Seither dienten Space Shuttle-Missionen spezifischen Aufgaben, sie konnten an anderen Raumfahrzeugen andocken um dort Astronauten Service- bzw. Reparaturarbeiten zu ermöglichen. Auch beim Aufbau der Internationalen Raumstation ISS wurde die Transportkapazität der Shuttles genutzt. Darüber hinaus diente es auch als weltraumbasierte Plattform, um Experimente sowie Beobachtungen von Erde und kosmischen Objekten durchzuführen. Auf einigen Missionen führten Shuttles das europäische Spacelab mit, während derer biologische und physikalische Experimente unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit durchgeführt wurden.

Mit der Rückkehr des Space Shuttle Atlantis am 21. Juli 2011 um 11:56 MESZ von einer Mission zur ISS ging die Ära der Space Shuttle zu Ende und das Tor ist geöffnet für eine neue Generation von Raumfahrzeugen. Mit dem Ende des Shuttle-Programms stehen vorläufig noch die kleineren russischen Sojus-Raumfahrzeuge für den bemannten Hin- und Rückweg zur Internationalen Raumstation zur Verfügung. Mit ihnen lassen sich nur begrenzt Güter von der Station zurückbringen. Weitere Transportsysteme sind u.a. Dragon, Cygnus, Progress und ATV (eingestellt).

Sun rising on the final Shuttle Mission Die Silhouette des Shuttles Atlantis hebt sich von der Erde ab, hinter der gerade die Sonne aufgeht - ein Foto, das von einem Astronauten an Bord der ISS am 19. Juli 2011 gemacht wurde. An diesem Tag legte das Shuttle das letzte Mal von der Raumstation ab und begann mit den Rückkehrvorbereitungen. Während ihres 13-tägigen Aufenthalts versorgte die Shuttle-Besatzung die ISS mit einem neuen Logistik-Modul, testete Werkzeug, Technologien und Einrichtungen, um Satelliten im All zu betanken und sie entsorgten alte Ausrüstungsgegenstände von der ISS. Astronaut photograph ISS028-E-017845 was acquired on July 19, 2011, with a Nikon D2Xs digital camera using a 14 mm lens, and is provided by the ISS Crew Earth Observations experiment and Image Science & Analysis Laboratory, Johnson Space Center. Quelle: NASA Earth Observatory

Weitere Informationen:

• The Tribute to the Space Shuttle from the European astronauts (ESA)
• Space Shuttle Era Facts (NASA)

Space Situational Awareness (SSA)

Siehe Weltraumlageerfassung

Space Weather

Siehe Weltraumwetter

Space-Based Infrared System (SBIRS)

Dt. weltraumgestütztes Infrarotsystem; das Space-Based Infrared System (SBIRS) ist ein System der United States Space Force, das den Bedarf des US-Verteidigungsministeriums an Infrarot-Weltraumüberwachung in den ersten zwei bis drei Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts decken soll. Das SBIRS-Programm soll über Satelliten in der geosynchronen Erdumlaufbahn (GEO), über Sensoren auf Satelliten in einer hochelliptischen Umlaufbahn (HEO) und über bodengestützte Datenverarbeitung und -kontrolle wichtige Fähigkeiten in den Bereichen Raketenwarnung, Raketenabwehr, Charakterisierung des Kampfgebiets und technische Aufklärung bieten.

Insgesamt wurden zwölf Satelliten mit SBIRS- oder STSS-Nutzlasten gestartet: SBIRS GEO-1 (USA-230, 2011), SBIRS GEO-2 (USA-241, 2013), SBIRS GEO-3 (USA-273, 2017), SBIRS GEO-4 (USA-282, 2018), SBIRS GEO-5 (USA-315, 2021), SBIRS GEO-6 (USA-336, 2022), SBIRS HEO-1 (USA-184, 2006), SBIRS HEO-2 (USA-200, 2008), SBIRS HEO-3 (USA-259, 2014), STSS-ATRR (USA-205, 2009), STSS Demo 1 (USA-208, 2009) und STSS Demo 2 (USA-209, 2009). Der Fertigungsauftrag für SBIRS GEO-5 und SBIRS GEO-6 wurde 2014 vergeben. Die Finanzierung von SBIRS GEO-7 und SBIRS GEO-8 wurde 2019 gestrichen.

Ausgehend von den Erfahrungen mit dem Einsatz von Kurzstreckenraketen durch den Irak während des Golfkriegs 1991 kam das US-Verteidigungsministerium (DoD) zu dem Schluss, dass erweiterte Fähigkeiten zur Raketenwarnung auf dem Schlachtfeld erforderlich waren, und begann mit der Planung einer verbesserten Infrarot-Satellitensensorfähigkeit, die sowohl strategische Langstrecken- als auch Kurzstreckenraketenwarn- und -verteidigungsoperationen auf dem Schlachtfeld unterstützen sollte. 1994 untersuchte das Verteidigungsministerium die Konsolidierung verschiedener Anforderungen an den Infrarot-Raumfahrtbereich, z. B. für die Warnung vor ballistischen Flugkörpern und deren Abwehr, die technische Aufklärung und die Charakterisierung des Kampfgebiets, und entschied sich für SBIRS, um die vom Defense Support Program (DSP) bereitgestellten Fähigkeiten zu ersetzen und zu verbessern.

Die SBIRS-High-Komponente des Systems ermöglicht die Beobachtung von Raketenstarts aus großer Höhe. Sie entspricht damit funktionell dem bisherigen DSP-System, jedoch mit deutlich gesteigerter Genauigkeit und Empfindlichkeit. SBIRS-High besteht aus zwei unterschiedlichen Subkomponenten:

• den SBIRS-GEO Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn:
  SBIRS-GEO besteht aus eigenständigen Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn. Diese Satelliten besitzen einen kubischen Satellitenkörper mit zwei Solarzellenauslegern und sind dreiachsenstabilisiert. Jeder SBIRS-GEO-Satellit trägt zwei SBIRS-Sensoren. Im Gegensatz zu den DSP-Satelliten besitzen die SBIRS-GEO-Satelliten einen Apogäumsmotor für den Einschuss in die geostationäre Umlaufbahn. Die Masse der Satelliten ist nicht veröffentlicht, jedoch ist aus den Leistungsdaten der vorgesehenen Startraketen abzuleiten, dass die Startmasse zwischen 4210 kg und 4950 kg liegt.
• den SBIRS-HEO Nutzlasten:
  SBIRS-HEO besteht im Gegensatz zu GEO aus einem Sensorenpaket, das als zusätzliche Nutzlast auf einem Militärsatelliten montiert ist, der sich auf einer hochelliptischen Umlaufbahn befindet. Diese Satelliten sind entweder Kommunikationssatelliten des Satellite Data Systems oder ELINT-Aufklärungsatelliten.

Die gegenwärtige Planung für die SBIRS-High-Komponente umfasst sechs GEO-Satelliten und vier HEO-Nutzlasten.

SBIRS-Low war eine Komponente, die das SBIRS-System mit 24 Beobachtungssatelliten in polaren, niedrigen Umlaufbahnen ergänzen sollte, um eine dichtere räumliche Abdeckung auch in den Polargebieten zu gewährleisten.

Nach mehreren Umstrukturierungen wird das SBIRS-Low-Programm nun unter der Bezeichnung Space Tracking and Surveillance System (STSS) von der Missile Defense Agency weitergeführt.

Das russische Pendant

Russland hat zwei Systeme von Frühwarnsatelliten auf der Basis von IR-Sensoren entwickelt. Die Überwachung der Raketenstarts erfolgt mit einem großen Teleskop. Das Ursprungssystem OKO („Auge“, andere Bezeichnung: SPRN-1) besteht in der vollen Konstellation aus neun Satelliten in hochelliptischen Orbits. Die Bahnen der OKO-Satelliten sind so gewählt, dass die ICBM-Basen in den USA vom Apogäum aus gegen den Rand der Atmosphäre beobachtet werden können. Die Auslegungs-Lebensdauer beträgt drei bis fünf Jahre. Da ausgefallene alte Satelliten nicht ersetzt wurden, reduzierte sich die Satellitenzahl auf vier, die auch im Juli 2001 (von einer russischen Quelle) noch als operationell gemeldet wurden. Eine zweite Serie von Frühwarnsatelliten, die Prognos-Serie (andere Kennung: SPRN-2), ist für die Stationierung im GEO vorgesehen. Ihre Positionen zielten bisher meist auf eine überwachung der USA, seltener auf die Beobachtung des Fernen Ostens. Die Satelliten hatten jedoch technische Probleme und arbeiteten nie länger als zwei Jahre. Der letzte im Mai 1999 gestartete Prognos-Satellit driftete aus seiner Position. Mit dem Start eines neuen Prognos-Satelliten (Kosmos 2379) im August 2001 wurde diese Lücke geschlossen.

space2school

Bezeichnung für ein DLR-Lehrerportal, in dem raumfahrtaffine Lerninhalte für die MINT-Fächer aller Jahrgangsstufen vorgestellt werden. Zudem zeigt das bei der Raumfahrtagentur im DLR angesiedelte Portal Verbindungen zu weiteren Wissensquellen aus der Weltraumforschung. Das Ziel des Portals ist: Mit Praxisbezug und Anschaulichkeit Begeisterung an vermeintlich "trockenen" Fächern wecken.

Das Portal bietet didaktisch aufbereitete Materialien, Online-Lernmodule, Arbeitsblätter, Lehrer- und Schülerhefte als Download zur Gestaltung des Unterrichts. Die Lernenden können auch durch die Teilnahme an Wettbewerben aus dem faszinierenden Themenbereich Raumfahrt motiviert werden. Interessierende Unterrichtsinhalte können einfach herausgefiltert werden.

Das DLR-Angebot wird ergänzt durch eine spannende Auswahl an E-Learning Modulen von FIS - Fernerkundung in Schulen und geo:spektiv. Die Inhalte werden sukzessive mit neuem Material ergänzt und aktualisiert.

Weitere Informationen:

• space4school.de - Startseite
• Erdbeobachtung – Warum der Blick aus dem All wichtig für uns ist (DLR / Klett MINT 2022)

SpaceDataHighway

Alternative und vor allem von Airbus D&S verwendete Bezeichnung für das Europäisches Datenrelaissystem (EDRS). Mit seinem auf modernster Lasertechnologie basierenden System ist es das weltweit erste weltraumgestützte Gegenstück zu terrestrischen Glasfasernetzen.

Die geostationären Satelliten des Systems schalten sich über Laser auf andere Satelliten auf, die tausende von Kilometern unter ihnen aus niedrigen Erdumlaufbahnen die Erde scannen, und sammeln deren Daten. Aus seiner Position im geostationären Orbit arbeitet der SpaceDataHighway als Relais, das die enormen Datenmengen dieser Erdbeobachtungssatelliten in Fast-Echtzeit mit einer Geschwindigkeit von 1,8 Gbit/s an die Erde übermittelt. Normalerweise müssten diese Daten sonst so lange gespeichert werden, bis der jeweilige Satellit seine Bodenstation wieder überfliegt.

Die Herstellung der Laserverbindungen wird durch das SpaceDataHighway Mission Operation Centre überwacht, das rund um die Uhr besetzt und an einem Airbus-Standort nahe München untergebracht ist. Das Personal im Kontrollzentrum erhält Übertragungsanforderungen von Kunden, programmiert das Raum- und Bodensegment und überwacht die Kommunikationsleistung.

Theoretisch könnte der SpaceDataHighway jeden Tag bis zu 40 Terabyte Daten von Beobachtungssatelliten, Drohnen oder Luftfahrzeugen zur Erde übermitteln. Aktuell wird er vom Copernicus-Programm der Europäischen Union genutzt, die Kundenzahl ließe sich jedoch beträchtlich erhöhen.

Ab 2019 wird das System auch Informationen aus dem Columbus-Modul der Internationalen Raumstation ISS übermitteln. Ab 2020 werden die Pléiades Neo-Satelliten ihre Daten über den SpaceDataHighway senden.

Der SpaceDataHighway ist eine Public-Private-Partnerschaft (PPP) zwischen der Europäischen Weltraumorganisation ESA und Airbus als Eigentümer und Betreiber des Systems. Die Laserterminals wurden von Tesat-Spacecom und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR Raumfahrtmanagement) entwickelt. EDRS-A, die erste, 2016 gestartete SpaceDataHighway-Nutzlast, bietet eine Abdeckung von der amerikanischen Ostküste bis Indien. EDRS-A mit seinem Laser Communication Terminal und einem Ka-Band-Satelliten-Link, wurde an Bord des Telekommunikationssatelliten Eutelsat 9B mit einer Proton M gestartet und auf 9° Ost positioniert. EDRS-C wird im Unterschied zu EDRS-A als eigener Satellit ausgeführt. Er soll mit einer Ariane 5 im Jahr 2019 gestartet und auf 31° Ost positioniert werden. EDRS-C wird die Kapazität des Systems verdoppeln und die Abdeckung und Redundanz erhöhen. Airbus plant, das SpaceDataHighway-System um einen dritten Knoten, EDRS-D, über der Region Asien-Pazifik zu erweitern.

Spacelab

Bezeichnung für das 1983 an Bord der Raumfähre Columbia erstmals ins All gebrachte Weltraumlabor. Bis 1997 folgten weitere 21 von 50 ursprünglich geplanten Missionen. 121 Astronauten haben an Bord gearbeitet, darunter Ulf Merbold bei FLSP1, Ernst Messerschmidt und Reinhard Furrer auf D 1 sowie Ulrich Walter und Hans Schlegel auf D 2.

1973 war zwischen der NASA und der ESRO (European Space Research Organisation), einer Vorläuferorganisation der ESA ein Vertrag zum Bau des Spacelabs durch Europa abgeschlossen. Damals gab es noch keine Nutzergemeinde, die möglichen Anwender mussten von der Nutzung eines Spacelabs für Experimente unter Schwerelosigkeit erst überzeugt werden. Es war, wie heute bei der ISS, eine politische Entscheidung. Deutschland übernahm den größten Anteil von 55 %, Italien 15,6 %, Frankreich 10,3 das UK 6,5 %. Gebaut wurde das Spacelab bei der damaligen ERNO GmbH in Bremen, unterstützt von ca. 50 Unterauftragnehmern.

Trägersystem des Spacelab war der amerikanische Raumtransporter Space Shuttle. Für dessen Maße und technische Voraussetzungen war das Spacelab in seiner Konstruktion ausgelegt. Das Spacelab blieb für die Dauer der Mission als feste Nutzlast im Space Shuttle. Das Spacelab bestand aus zwei Einheiten:

• Die Labormodule in Form zylindrischer Druckkabinen mit 4 Meter Durchmesser und etwa 2,7 Meter Länge. Zu einem Labor von etwa 7 Meter Länge kombiniert, boten sie vier Astronauten Platz. Hier waren Versorgungssysteme, Datenverarbeitungsanlagen und die Experimentiereinrichtungen untergebracht. Das Modul war durch einen Tunnel vom Raumtransporter her erreichbar und wurde auch von diesem mit Energie versorgt.
• Auf U-förmige, oben offene Paletten waren Messgeräte, Teleskope, Antennen etc. montiert, die frei dem Weltraum ausgesetzt waren. Labormodule und Paletten liessen sich je nach Erfordernis beliebig miteinander kombinieren.

Die im Spacelab durchgeführten Experimenten und Messungen betrafen vor allem die Physik, Astronomie, Meteorologie, Materialwissenschaft, Biologie und Pharmazie, außerdem wurden vielfältige Aufgaben der Fernerkundung erfüllt.

Spacelab Inneres des Spacelabs der D1-Mission mit ESA-Astronaut Merbold umrahmt von den einzelnen, für die unterschiedlichen Missionen austauschbaren Racks. Quelle: ESA

SpaceX

SpaceX (Space Exploration Technologies Corporation) ist ein privates US-amerikanisches Raumfahrt- und Telekommunikationsunternehmen mit Hauptsitz in Hawthorne, Kalifornien. Das Unternehmen wurde 2002 von Elon Musk mit dem Ziel gegründet, Technologien zu entwickeln, die es der Menschheit ermöglichen sollen, den Mars zu kolonisieren und das Leben auf anderen Planeten zu verbreiten. Weitere Ziele von SpaceX sind, die Kosten für Raketenstarts um den Faktor zehn zu reduzieren und die Zuverlässigkeit der Raketen zu steigern.

SpaceX konnte bisher 129 Raketenstarts mit den Raketen vom Typ Falcon 9 durchführen (Stand: 2. Dezember 2021). Ende Mai 2020 erreichte der erste bemannte Flug von SpaceX die Internationale Raumstation ISS.

SpaceX gehört zu den größten nicht börsenorientierten Unternehmen der Welt und gilt als sogenanntes „Einhorn-Unternehmen“ (dazu zählen Firmen mit einer Bewertung von über einer Milliarde US-Dollar).

Nach anfänglichen Fehlschlägen der neuentwickelten Rakete Falcon 1 wurde die Firma innerhalb weniger Jahre mit der Falcon 9 und dem Raumschiff Dragon zu einem bedeutenden Versorger der Internationalen Raumstation (ISS). 2017 löste SpaceX Arianespace als weltweiten Marktführer bei Satellitenstarts ab. Mit der 2018 erstmals gestarteten Falcon Heavy bietet das Unternehmen auch die stärkste verfügbare Trägerrakete an. Seit Ende Mai 2020 führt SpaceX bemannte Raumflüge durch, zunächst für die NASA zur ISS. Am 15. September 2021 beförderte SpaceX vier Weltraumtouristen für drei Tage ins All - es ist die weltweit erste All-Mission ohne Profi-Astronaut. SpaceX betreibt vier Startanlagen an der US-amerikanischen Ost- und Westküste sowie an der Golfküste von Texas.

Satelliten-Beförderung ins All

Im Jahr 2013 beförderte SpaceX – als erstes privates Unternehmen – einen Satelliten ins All. Das Raumfahrtunternehmen will mit insgesamt 12.000 im erdnahen Orbit stationierten Satelliten einen weltweiten Internetzugang aufbauen. Die Satellitenindustrie gilt als ein besonders lukrativer Bereich der Raumfahrtbranche und machte alleine im Jahr 2020 einen Umsatz von 271 Milliarden US-Dollar.

SpaceX ist mit dem Starlink-Projekt für einen weltweiten Satelliten-Internetzugang – gemessen an der Satellitenanzahl – auch der weltgrößte private Satellitenhersteller und -betreiber.

Seit 2020 befindet es sich im Betatest. Zum Kerngeschäft von Starlink zählt die Bereitstellung von Internetzugängen mit besonders geringer Paketumlaufzeit und die Bereitstellung in Gebieten, in denen zuvor keine oder eine nicht ausreichende Internetverbindung zur Verfügung stand. Mit 1660 Starlink-Satelliten im Erdorbit (Stand Ende Juni 2021) ist SpaceX der mit Abstand größte Satellitenbetreiber weltweit. Insgesamt bestehen bis zum Jahr 2027 befristete Genehmigungen für den Start von maximal 11.927 Satelliten sowie Anträge von SpaceX für nochmals bis zu 30.000 Satelliten. Das entspricht zusammengenommen dem fünffachen aller von 1957 (Sputnik 1) bis 2019 gestarteten Satelliten.

Ab der zweiten Ausbaustufe sollen die Starts mit der neuen Starship-Rakete anstatt der Falcon 9 erfolgen. Das Starship wird voraussichtlich mit jedem Flug 400 Starlink-Satelliten ins All transportieren können.

Zivilisation auf dem Mars

Im September 2018 kündigte SpaceX an, im Jahr 2023 dem japanischen Milliardär Yusaku Maezawa als weltweit erstem privaten Passagier eine Mondreise zu ermöglichen. Ein langfristiges Ziel des Unternehmens ist es, eine selbsttragende Zivilisation auf dem Mars zu errichten. Bisher sind die USA das Land mit den meisten erfolgreichen (unbemannten) Missionen zum Mars (Stand: 2020).

Weitere Informationen:

• SpaceX - Startseite

Speckle

Engl. speckle, franz. speckle; nach DIN 18716 die "körnige Struktur, die in Radarbildern wegen der Wechselwirkung der kohärenten Strahlung mit einer rauen Oberfläche auftritt und die Erkennbarkeit von Objektdetails einschränkt".

SPECTRA

Engl. Akronym für Surface Processes and Ecosystem Changes Through Response Analysis; geplante Mission der ESA zur Beschreibung und Modellierung der Rolle terrestrischer Vegetation im globalen Kohlenstoffkreislauf und ihrer Reaktion auf anthropogene Klimaveränderungen.

Weitere Informationen:

• SPECTRA Mission Report (ESA)
• SPECTRA Technical Annex (ESA)

Spektralband

Begriff, der die Lage von Strahlung im elektromagnetischen Spektrum und die Bandbreite der Aufnahmekanäle der Multispektralsensoren angibt. Je schmaler die Bandbreite und je höher die Anzahl der Bänder ist, desto besser ist die spektrale Auflösung eines Sensors. Ein Farbfilm kann als Aufnahmesystem mit 3 Bändern (rot, grün, blau; RGB) bezeichnet werden, wohingegen die größte Anzahl von Spektralbändern bei Hyperspektralscanner-Daten anzutreffen ist, bei denen die Spektralbänder nur wenige nm betragen.

Die Lage der Spektralbänder im Spektrum ist abhängig von den technischen Parametern des Sensors, der atmosphärischen Streuung und Absorption sowie von den vorgesehenen Hauptanwendungsgebieten für diese Fernerkundungsdaten. Multispektralscanner mit nur wenigen Spektralbändern werden häufig für großräumige Untersuchungen verwendet (NOAA AVHRR). Je kleinräumig differenzierter ein Gebiet ist, desto ähnlicher sind häufig die spektralen Signaturen und desto vorteilhafter sind schmalbandige Sensoren.

Spektralbereich

Engl. spectral region, franz. région du spectre, domaine spectral; DIN 18716 definiert den Begriff als "zusammenhängender Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums", verbunden mit der Anmerkung: "Die Unterteilung des elektromagnetischen Spektrums in der Fernerkundung orientiert sich an den atmosphärischen Fenstern und sensortechnischen Aspekten. Sie ist deshalb nicht identisch mit der in der Physik üblichen Benennung der Wellenlängenbereiche. Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind meist nicht scharf definiert."

Elektromagnetische Strahlung wird vor allem durch ihre Wellenlänge gekennzeichnet. Die Wellenlänge wird dabei in der Längeneinheit Meter (bzw. Bruchteilen wie Nanometer [nm] oder Mikrometer [µm]) angegeben. Gleichwertig ist aber auch die Angabe der Frequenz in Hertz (bzw. Vielfachen wie Megahertz [MHz], Gigahertz [GHz], Terahertz [THz] oder Petahertz [PHz]); diese Angaben sind vor allem bei Mikrowellen und längerwelliger Strahlung üblich. In einigen Wissenschaften sind aber auch Einheiten wie Wellenzahl [cm-1] oder Energie (Elektronenvolt [eV]) gebräuchlich. Beispielsweise sind 550 nm gleich 0,55 µm gleich 545,1 THz gleich 18182 cm-1 gleich 2,25 eV.
In der Praxis hat es sich eingebürgert, das gesamte Spektrum in Bereiche und Unterbereiche zu unterteilen.

Spektralbereiche

Diese Bereiche und Unterbereiche werden oft noch wesentlich feiner, zum Teil auch überlappend, unterteilt. So kann der Bereich des sichtbaren Lichtes in Farben unterteilt werden (z.B. ist "blau" 440 - 485 nm), im Bereich des mittleren Infrarot sind Unterbereiche des thermischen IR und des "Wasserdampf-IR" gebräuchlich und im Bereich der Mikrowellen sind Unterbereiche wie C-Band, S-Band, oder X-Band üblich.

Satelliten beobachten zunächst einmal im sichtbaren Licht (400 nm -700 nm), wobei in vielen Fällen noch die Aufspaltung durch Filter oder Beugungsgitter in blaues, grünes und rotes Licht vorgenommen wird, die jeweils einem eigenen Detektor zugeleitet werden. Ebenso wird der Infrarotbereich von 700 nm bis 12500 nm in nahes (NIR), kurzwelliges (SWIR) und thermisches Infrarot (TIR) aufgesplittet. Radarsensoren arbeiten im Mikrowellenspektrum mit Wellenlängen zwischen 1 cm bis 1 m. Atmosphäreninstrumente beobachten darüber hinaus noch im Ultraviolett. Je nach Anzahl der Spektralkanäle spricht man von einem panchromatischen Sensor (1 Kanal), Multispektralscanner (2 bis ca. 10 Kanäle) oder von einem Spektrometer (bis zu 2.000 Kanäle).

spektrale Auflösung

Syn. Bandbreite, Kanalbreite, engl. spectral resolution; franz. résolution spectrale; das Vermögen eines Sensorsystems, einzelne Wellenlängenbereiche zu trennen oder, anders ausgedrückt, die Wellenlängenbreite, die ein Spektralband bei 50 % der maximalen Durchlässigkeit des Spektralbandes umfasst. Als Maße für die Auflösung dienen die Anzahl der Spektralkanäle, ihre Breite und der Wellenlängenabstand. Man unterscheidet verschiedene Systeme: panchromatisch (1 Spektralkanal), multispektral (zwischen 2 und etwa 10 Spektralkanälen) und hyperspektral (zwischen 10 und mehreren hundert Spektralkanälen).

Je größer die Anzahl der Bänder und je geringer die Bandbreite, desto größer ist die spektrale Auflösung des Sensors. Ziel ist die Erfassung der spektralen Signaturunterschiede der verschiedenen Oberflächenarten. Die spektrale Auflösung ist in Kombination mit der geometrischen und der temporalen Auflösung ein wesentliches Kennzeichen von Fernerkundungssensoren und entscheidend für die Nutzbarkeit der Daten für unterschiedliche Anwendungen. In meteorologischen Satellitensensoren ist die spektrale Auflösung relativ niedrig (z.B. weite Frequenzbänder). In der Bildspektrometrie ist sie hoch (enge Frequenzbänder), da enge Frequenzbänder wichtig für das Aufspüren von feinen Unterschieden in den Reflexions- und Absorptionsmustern sind.

spektrale Empfindlichkeit

Engl. spectral sensitivity, franz. sensibilité spectrale; nach DIN 18716 das "Reaktionsvermögen des Sensors auf die wellenlängenabhängige Strahldichte", versehen mit der Anmerkung: "Die spektrale Empfindlichkeit eines Sensors wird durch spektrale Transmission des optischen Systems und der spektralen Response des Detektors bestimmt".

spektrale Signatur

Syn. Spektralsignatur; engl. spectral signature, franz. signature spectrale; das für ein Material oder ein Objekt in einem Bild charakteristische Frequenzmuster der Strahlung, die von dem Material oder Objekt reflektiert oder emittiert wird, somit eine Art "spektraler Fingerabdruck". Dieses unterschiedliche Verhalten verschiedener Landoberflächen gegenüber dem Sonnenlicht bzw. deren Eigenstrahlung wird von der Fernerkundungstechnik genutzt. Die "spektrale Signatur" wird benötigt, um verschiedene Objektarten voneinander abzugrenzen und die jeweiligen Objektarten zu identifizieren. Es ist üblich, den Reflexionsgrad graphisch, als Funktion der Wellenlänge darzustellen.

Einige Wellen werden von atmosphärischen Bestandteilen wie Wasserdampf und Kohlendioxid absorbiert oder reflektiert, während sich andere Wellenlängen ungehindert durch die Atmosphäre bewegen können; sichtbares Licht hat Wellenlängen, die durch die Atmosphäre übertragen werden können. Mikrowellenenergie hat Wellenlängen, die Wolken durchdringen können, eine Eigenschaft, die von vielen Wetter- und Kommunikationssatelliten genutzt wird.

Die Hauptquelle der von den Satelliten beobachteten Energie ist die Sonne. Die Menge der reflektierten Sonnenenergie hängt von der Rauheit der Oberfläche und ihrer Albedo ab, d. h. davon, wie gut eine Oberfläche Licht reflektiert, anstatt es zu absorbieren. Schnee zum Beispiel hat eine sehr hohe Albedo und reflektiert bis zu 90 % der einfallenden Sonnenstrahlung. Der Ozean hingegen reflektiert nur etwa 6 % der einfallenden Sonnenstrahlung und absorbiert den Rest. Wenn Energie absorbiert wird, wird sie oft wieder emittiert, meist bei längeren Wellenlängen. Die vom Ozean absorbierte Energie wird zum Beispiel als Infrarotstrahlung wieder emittiert.

Alle Dinge auf der Erde reflektieren, absorbieren oder übertragen Energie, deren Menge je nach Wellenlänge variiert. So wie Ihr Fingerabdruck einzigartig ist, hat alles auf der Erde einen einzigartigen spektralen Fingerabdruck. Forscher können diese Informationen nutzen, um verschiedene Merkmale an der Erdoberfläche sowie verschiedene Gesteins- und Mineralienarten zu identifizieren. Die Anzahl der Spektralbänder, die ein bestimmtes Instrument erfasst, seine spektrale Auflösung, bestimmt, wie sehr ein Forscher zwischen verschiedenen Materialien unterscheiden kann.

Die Kenntnisse über das Reflexions- bzw. das Absorptionsverhalten bestimmter Objekte verwendet man um multispektral aufgenommene Bilder zu klassifizieren.

Spektrale Signaturen verschiedener Erdmerkmale im Spektrum des sichtbaren Lichts Quelle: NASA

Die Reflexion des kahlen Bodens nimmt vom sichtbaren zum Infrarot-Bereich des elektromagnetischen Spektrums leicht zu. Zwischen den unterschiedlichen Bodentypen und zwischen trockener oder nasser Erde gibt es große Unterschiede. Auch die unterschiedliche mineralische Zusammensetzung der Oberflächen ist in der Durchschnittskurve für kahlen Erdboden gezeigt. Wasser reflektiert Strahlung normalerweise nur im sichtbaren Bereich, sauberes Wasser besonders im Bereich blauen Lichts. Gleichzeitig absorbiert es stark im roten Licht und nahezu total im mittleren und fernen Infrarot.

Da im nahen Infrarotbereich fast gar keine Strahlung abgegeben wird, lässt sich Wasser eindeutig von anderen Oberflächen unterscheiden. In Bildern, die im nahen Infrarotbereich aufgezeichnet werden, erscheinen Wasseroberflächen als dunkle Flecken (niedrige Pixelwerte).

Reflexionsvermögen von Eisen- und Kupfermineralien So wie Eisen und Kupfer im sichtbaren Licht unterschiedlich aussehen, reflektieren eisen- und kupferhaltige Minerale im Infrarotspektrum unterschiedlich viel Licht. In diesem Diagramm wird das Reflexionsvermögen von Hämatit (einem Eisenerz) mit Malachit und Chrysokoll (kupferhaltigen Mineralien) im Bereich von 200 bis 3.000 Nanometern verglichen. Quelle: NASA

Spektrale Signaturen grüner Pflanzen

Wechselwirkungen zwischen reflektierter, absorbierter und übertragener Energie können mit Hilfe von Fernerkundung aufgespürt werden. Die Unterschiede in Blattfarbe, Textur, Form oder sogar wie die Blätter mit den Pflanzen verbunden sind, bestimmen darüber, wie viel Energie reflektiert, absorbiert oder übertragen wird.

Die spektrale Signatur grüner Pflanzen ist unverwechselbar. Das Chlorophyll in wachsenden Pflanzen absorbiert sichtbares und insbesondere rotes Licht für die Photosynthese. Grünes Licht und Licht aus dem nahen Infrarotbereich wird hingegen reflektiert, da die Pflanze hierfür keine Verwendung hat. Die Pflanze vermeidet so eine unnötige Erwärmung und den Verlust ihres Saftes durch Verdunstung. Aufgrund ihres Wassergehalts weist grüne Vegetation auch eine starke Absorption im Bereich des mittleren Infrarots auf. Diese Kenntnis verwendet man um multispektral aufgenommene Bilddaten zu klassifizieren.

Die Beziehung zwischen reflektierter, absorbierter und übertragener Energie wird verwendet um die spektralen Signaturen von individuellen Pflanzen zu bestimmen. Spektrale Signaturen sind einzigartig für die verschiedenen Pflanzenarten. Es ist ein etabliertes Verfahren in der Fernerkundung, gestresste Pflanzen in einem Bestand dadurch zu identifizieren, dass man zunächst die spektrale Signatur von gesunden Pflanzen genau bestimmt. Die Signatur gestresster Pflanzen zeigt dann eine davon abweichende spektrale Signatur.

Zwischen der Reflexion im nahen Infrarotbereich und in den sichtbaren Bereichen des Spektrums besteht ein großer Unterschied. Aus dem Umfang dieses Unterschiedes lässt sich ablesen, welcher Flächenanteil mit wachsenden grünen Blättern bedeckt ist (Blättflächenindex). Teilweise kann durch die spektrale Signatur auch auf den speziellen Zustand der Bodenbedeckungsart geschlossen werden (z.B. Vegetationsschäden).

Spektrale Signaturen von Nutzpflanzen und Boden Quelle: Auracle Geospatial Science

Beispiel Zuckerrübe

Zuckerrüben haben einen höheren Reflektanzwert im sichtbaren Bereich des Spektrums von 400 - 700 nm (Abb. unten). Dieses Muster kehrt sich um im nicht-sichtbaren Bereich von ca. 750 - 1200 nm. Das Muster aus dem sichtbaren Bereich wiederholt sich im Bereich von 1300 - 2400 nm. Die Interpretation der Reflektanzwerte in verschiedenen Wellenlängenbereichen kann so herangezogen werden, um die Pflanzengesundheit zu beurteilen.

Spektrale Signaturen von gesunden und gestressten Zuckerrüben. Quelle: Auracle Geospatial Science

Vegetationsindizes

Zur Bestimmung der aktuell in einer Region vorhandenen Biomasse benutzt man die spektrale Signatur von Vegetation und berechnet den sog. Vegetationsindex. Dies ist die Differenz der Pixelhelligkeit im nahen Infrarot (NIR) und im roten Licht (R). Hohe Werte bedeuten dabei viel Biomasse, niedrige Werte wenig Biomasse. Dividiert man diese Größe noch durch die Summe der beiden (NIR-R) / (NIR+R) dann resultiert der Normierte Differentielle Vegetationsindex NDVI. Aus der zeitlichen Veränderung der Biomasse lassen sich Ernteabschätzungen treffen, jahreszeitliche Variationen erfassen und durch langfristige Zeitreihen auch Rückschlüsse auf Klimaverschiebungen ziehen. NDVI-Karten werden von vielen Organisationen berechnet und im Netz zugreifbar gemacht. Das WDC am DFD berechnet täglich eine NDVI-Europakarte sowie Wochen- und Monatsmittel im 1 km Raster. Die amerikanische Wetterbehörde NOAA stellt globale Daten zur Verfügung:

Da die beobachteten Materialien, u.a. bedingt durch die geometrische Auflösung, nie in reiner Form vorkommen, überlagern sich die Signaturen zu Mischsignaturen. Weiterhin wird die spektrale Signatur durch die Aufnahmebedingungen (Feuchtigkeit, atmosphärische Verhältnisse, Beleuchtung, Relief) beeinflußt, so dass sie durch Trainingsgebiete anhand der jeweiligen Aufnahme im Rahmen multispektraler Landnutzungsklassifikationen bestimmt werden muß. Je höher die spektrale Auflösung, um so besser sind Materialien unterscheidbar.

spektrale Strahlungstemperatur

Engl. spectral radiation temperature, franz. temperature rayonnante spectrale; DIN 18716 definiert "(Die) Temperatur des Schwarzen (Planckschen) Strahlers, bei der dieser die gleiche spektrale Strahldichte (Leuchtdichte) hat wie der zu kennzeichnende Strahler. Die Wellenlänge ist anzugeben."

spektraler Absorptionsgrad

Engl. spectral absorption factor, franz. degré d‘absorption spectral; nach DIN 18716 die "Abhängigkeit des Absorptionsgrades von der Wellenlänge der Strahlung".

spektraler Extinktionskoeffizient

Der spektrale Extinktionskoeffizient kennzeichnet die wellenlängenspezifische Abschwächung eines Lichtstroms beim Durchgang durch ein Medium. Bezüglich der Fernerkundung handelt es sich bei diesem Medium in der Regel um die Atmosphäre. Er beschreibt in Verbindung mit der Weglänge, die optische Dicke der Atmosphäre und ist somit für die atmosphärische Korrektur von Bedeutung. Der spektrale Extinktionskoeffizient µ der Wellenlänge λ setzt sich aus dem spektralen Streukoeffizienten σ und dem spektralen Absorptionskoeffizienten τ zusammen. Diese kennzeichnen die Veränderung des Lichtstromes infolge Streuung und Absorption pro Weglänge: μ(λ) = τ(λ)+σ(λ).

spektraler halbräumlicher Emissionsgrad

Engl. spectral semi-spatial emission factor, franz. degré d‘émission semi-spatial spectral; nach DIN 18716 die "Abhängigkeit des Emissionsgrades von der Wellenlänge der Strahlung".

spektraler Reflexionsgrad

Engl. spectral reflectivity factor, franz. degré de réflexion spectral; nach DIN 18716 die "Abhängigkeit des Reflexionsgrades von der Wellenlänge der Strahlung".

spektraler Transmissionsgrad

Engl. spectral transmissivity factor, franz. degré de transmission spectral; nach DIN 18716 die "Abhängigkeit des Transmissionsgrades von der Wellenlänge der Strahlung".

Spektralkanal

Engl. spectral band, franz. bande spectrale; enger Bereich der Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums, in dem ein Sensor arbeitet. Meist in den Spektralfarben: blau, grün, rot und Infrarot.

Spektralradiometer

Engl. spectral radiometer, franz. spectroradiomètre; ein Radiometer, das die Strahlungsintensität in mehreren Wellenbereichen (multispektral) messen kann. Häufig sind die Spektralbereiche hoch aufgelöst und sind für die Fernerkundung von speziellen Parametern konzipiert, wie z.B. Meeresoberflächentemperatur, Wolkeneigenschaften, Ozeanfarbe, Vegetation usw.

Spektrometer

Engl. spectrometer, franz. spectromètre; Messgerät zur differenzierten Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in vielen (bis zu 224) engen, zusammenhängenden Spektralbändern. Dies verleiht ihnen eine hohe spektrale Auflösung, wohingegen ihre räumliche Auflösung im mittleren bis im unteren Bereich liegt. Spektrometer nutzen die spektrale Signatur von Objekten zur Informationsgewinnung und sind damit eine Sonderform der Radiometer. Auch der Begriff Spektroradiometer ist gebräuchlich.

Systeme, die orts- und spektralaufgelöst messen, bezeichnet man als abbildende Spektrometer bzw. Multi- oder Hyperspektralsensoren.Die Hauptaufgabe von abbildenden Spektrometern ist die Identifikation von Oberflächenmaterialien - von der Mineralzusammensetzung von Böden bis zu Schwebstoffen in oberen Gewässerschichten und Chlorophylkonzentrationen. Bei Landsat kann z.B. aus der spektralen Reflektion durch Vergleich mit Labormessungen die Identifikation von Mineralien vorgenommen werden.

Besonders wichtige Spektrometer sind Sounder (sondierende Sensoren ohne Ortsauflösung), bei denen die Gewinnung vertikaler Profile im Vordergrund steht. Dabei werden im Gegensatz zu den Imagern meist kontinuierliche Felder wie Temperatur und Feuchte, die interpoliert werden können, betrachtet. Zur Profilgewinnung werden spektral hochaufgelöste Messungen mit geringer Bandbreite (kleiner als 1 Prozent) in Regionen, in denen sich das Absorptionsverhalten stark ändert, durchgeführt. Das gemessene Spektrum erlaubt die Analyse der Stoffzusammensetzung beobachteter Oberflächen oder Gase entlang der Sichtlinie des Instruments.

Ein klassisches Beispiel ist das Microwave Sounding Unit (MSU) zur Messung von Temperaturprofilen der oberen Atmosphäre, heute abgelöst durch das Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU). Es wird auf den polarumlaufenden Satelliten von NOAA und EUMETSAT (MetOp) eingesetzt.

Das Earth Observation Center (EOC) am DLR betreibt eine Vielzahl von sondierenden und abbildenden Spektrometern im Spektralbereich der sichtbaren und infraroten Strahlung. Die Geräte dienen im Labor bzw. bodengestützt als Referenzsysteme und sie werden im Rahmen des User Service OpAiRS (Optical Airborne Remote Sensing and Calibration Facility) für die flugzeuggestützte optische Fernerkundung eingesetzt. Für satellitengetragene Spektrometer entwickelt das IMF sensorspezifische Algorithmen, mit denen aus gemessenen Spektren geophysikalische Parameter abgeleitet werden. (vgl. Abb.)

Spektralbereiche (Wellenlänge) der im Earth Observation Center (EOC) betriebenen Labor- und Flugzeugsspektrometer bzw. operationell empfangenen Satellitenspektrometer (Hintergrund: Transmissionsverhalten der Atmosphäre). Quelle: DLR / EOC

Spektrometer, abbildendes

Siehe Abbildende Spektrometer

Spektroskopie

Sammelbegriff für unterschiedliche physikalische Analyseverfahren. Im Kern der Spektroskopie steht die Untersuchung elektromagnetischer Wellen. Die daraus resultierende Intensitätsverteilung wird als Spektrum bezeichnet.

In erster Linie untersucht man die Wechselwirkungen von elektromagnetischer Strahlung mit Materie. Dabei wird insbesondere untersucht, welche Wellenlängen des Lichts von einem Objekt reflektiert oder absorbiert werden, um Materialien zu charakterisieren.

Abbildende Spektroskopie (Imaging Spectroscopy)

Abbildende Spektroskopie - oder hyperspektrale Fernerkundung, wie sie auch häufig genannt wird - bezieht sich auf bildgebende Sensoren, die das Spektrum der von den Materialien der Erdoberfläche reflektierten Sonnenstrahlung in vielen zusammenhängenden Wellenbändern messen, sowohl am Boden als auch in der Luft oder im Weltraum. Das resultierende Bild - oder der Datenwürfel - kann man sich wie ein Foto vorstellen; anstelle der üblichen drei RGB-Kanäle gibt es jedoch bis zu Hunderte von Bändern, die eine Identifizierung und oft auch eine Quantifizierung von Materialien auf der Grundlage der Form der Spektralkurve ermöglichen.

Der Begriff Hyperspectral Imaging (hyperspektrale Bildgebung) wird manchmal synonym mit Imaging Spectroscopy verwendet. Die Bezeichnung Hyperspectral Imaging geht auf die Entwicklung des Airborne Imaging Spectrometer (AIS) und AVIRIS der NASA Mitte der 1980er Jahre zurück. Aufgrund der starken Verwendung in militärischen Anwendungen hat sich in der zivilen Welt eine leichte Präferenz für den Begriff der abbildenden Spektroskopie herausgebildet.

Spezifische Ausstrahlung

Syn. Abstrahlung; engl. radiant exitance, franz. rayonnement spécifique; die spezifische Ausstrahlung M ist der von der Flächeneinheit abgegebene Strahlungsfluss.

DIN 18716 formuliert: "Quotient aus der von einer Fläche ausgehenden Strahlungsleistung und dieser Fläche".

spiegelnde Reflexion

Engl. specular reflection, franz. réflexion miroitante; nach DIN 18716 eine "Oberflächeneigenschaft, die die Abhängigkeit der reflektierten Strahlung von dem Einstrahlungs- und Beobachtungswinkel beschreibt".

Spiegelstereoskop

Binokulares, optisches Instrument zur Stereobetrachtung (dreidimensionales Modell ) eines Luftbildpaares (zentralperspektivische Aufnahme mit 60 % Überdeckungsgrad), basierend auf der horizontalparallelen Achsendifferenz der beiden Teilbilder. Mit jedem Auge werden getrennte Teilbilder betrachtet, deren Eigenschaften dem natürlichen räumlichen Sehen (Projektion des Raumbildes als virtuelles Bild auf der Netzhaut) entsprechen. Zwischen das Bildpaar und die Augen des Betrachters werden Sammellinsen eingefügt, die die Strahlenbündel parallel ausrichten. Im Gegensatz zu einfachen Linsenstereoskopen (Taschenstereoskope) werden beim Spiegelstereoskop die Strahlen umgelenkt und damit die Betrachtungsbasis auf das mehrfache des Augenabstandes verbreitert. Mit Spiegelstereoskopen lassen sich Vergrößerungen bis zum 6-8fachen erreichen. Es ist die Betrachtung von großformatigen Luftbildern (Papierabzüge oder Diapositive) möglich. Mittels der Verwendung einer Meßschraube können Höhenmessungen im Luftbild vorgenommen werden. Der stereoskopische Raumeindruck ist für viele Interpretationsaufgaben eine unverzichtbare Voraussetzung für die Bildinterpretation.

Spin-Stabilisierung

Sehr effiziente Stabilisierung der Lage von Satelliten im Weltraum durch Rotation um ihre Längsachse unter Nutzung der Drehimpulserhaltung. Die Spin- oder Drall-Stabilisierung wird bevorzugt bei geostationären Satelliten eingesetzt.

Die Spin-Stabilisierung nutzt den Effekt aus, dass sich ein um seine Längsachse rotierender Raumflugkörper wie ein Kreisel verhält und deshalb normalerweise nicht aus seiner Lage im Raum gebracht werden kann. Dieses gilt auch, wenn sich der Raumflugkörper in dem Schwerefeld eines Himmelskörpers befindet. Dies verleiht genügend Stabilität um die beiden zur Rotationsachse senkrechten Achsen. Die Stabilisierung um die Rotationsachse erfolgt durch Drehzahländerung und dem damit verbundenen Reaktionsmoment. Die Spinachse kann nur schwer durch Steuerungstriebwerke beliebig im Raum ausgerichtet werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass nur jeweils die Hälfte der an der Außenhülle angebrachten Solarzellen von der Sonne beschienen werden.

Split Window Technique

Verfahren zur Fernerkundung der Meeresoberflächentemperatur durch Messung in zwei Kanälen, z.B. 10 µm und 12 µm. Hierdurch ist die Atmosphärenkorrektur möglich.

SPOT 1-5

Franz. Akronym für Système Probatoire d'Observation de la Terre; Serie von französischen Erdbeobachtungssatelliten, die sich in 822 km Höhe auf einer polnahen Umlaufbahn befinden. Wichtige Anwendungsbereiche für Spot-Daten sind Kartographie, Landoberfläche, Land- und Forstwirtschaft, Raumplanung, digitale Geländemodelle und Umweltmonitoring.

Wichtigster Sensor ist ein Paar aus jeweils zwei gleichartigen optischen HRV-Kameras (Instrument Haute Résolution Visible, SPOT 1-3), die in einem panchromatischen Modus mit 10 m räumlicher Auflösung oder in einem multispektralen Modus mit etwa 20 m räumlicher Auflösung betrieben werden können. Durch die beiden gleichartigen HRV-Sensoren besteht u.a. die Möglichkeit zur Aufnahme von Stereobildern. SPOT 5 mit seinen HRG-Instrumenten (High Resolution Geometric) erzielt eine S/W-Auflösung von 5 bzw. 2,5 m, im Farbmodus von 10 m.

Im Januar 2013 wurden die kommerziellen Aktivitäten von SPOT 4 beendet. Der Satellit hatte während seiner nahezu 15-jährigen aktiven Zeit über 6,8 Bilder von der Erde aufgenommen. Die Missionsdauer von SPOT 5 wurde zunächste bis Mai 2015 verlängert und im Dezember 2015 endgültig außer Betrieb genommen.

Die neuesten Satelliten der Serie, SPOT 6 und SPOT 7, sind kommerzielle Satelliten im Besitz von Airbus Defence and Space und stellen die Datenkontinuität bis 2024 sicher. SPOT 6 wurde am 9. September 2012 gestartet und später durch SPOT 7 ergänzt, um eine Konstellation zu bilden, die bis zum Jahr 2024 hochauflösende, weitreichende Daten liefert. An Bord ist das NAOMI-Instrument.

Die SPOT-Satellitenserie ist Teil des ESA-Programms für Drittmissionen, in dessen Rahmen die ESA mit Airbus Defence and Space eine Vereinbarung über den Vertrieb der Datenprodukte der Mission getroffen hat.

Weitere Informationen:

• SPOT (ESA)
• SPOT Profile (CEOS EO Handbook)
• Spot Satellite - Technical Data (Satellite Imaging Corporation)

Spot 6/7

Franz. Akronym für Système Probatoire d'Observation de la Terre; aktuelle Exemplare einer Serie von französischen Erdbeobachtungssatelliten. Der Start von SPOT 6 erfolgte am 9. September 2012 an Bord der indischen Trägerrakete (Polar Satellite Launch Vehicle) vom Satish Dhawan Space Center auf der vor der indischen Ostküste gelegenen Barriereinsel Sriharikota Island.

Der baugleiche SPOT 7 wurde am 30. Juni 2014 gestartet. Die etwa 710 kg schweren Satelliten basieren auf dem AstroSat-500 Satellitenbus von Astrium (heute Airbus D&S) und sollen 10 Jahre in Betrieb bleiben. Von ihrer Bahnhöhe 695 km und der Bahnneigung von 98,2º (mit den beiden Pléiades-Satelliten auf demselben, in 180° Phasen aufgeteilten Orbit), liefern sie Aufnahmen mit einer Auflösung von maximal 1,5 m. Durch die Kombination der beiden Satellitensysteme können Punkte im Zielgebiet am gleichen Tag mehrmals erfasst werden.

Beispielbild: Totes Meer

Das folgende, während der Kommissionierungsphase 2012 aufgenommene SPOT-6 Bild zeigt den Südteil des Toten Meeres, welches an Israel, Jordanien und Palästina angrenzt. Die Aufnahme ist panbildgeschärft, die Auflösung beträgt 1,5 m. Der etwa N-S verlaufende Landstreifen durch die Teiche folgt der Grenze zwischen Israel und Jordanien.

Dieser abflusslose Salzsee ist mit durchschnittlich 27 % Salzgehalt (33 % in 50 m Tiefe) einer der salzigsten Seen weltweit. Dieser Salinitätswert ist höher als der der Ozeane (z.B. Atlantik 3,54 %). Der hohe Salzgehalt bedingt ungünstige Lebensbedingungen, was dem See auch seinen Namen gab. Ein besonderer Aspekt dieser hohen Salinität liegt darin, dass Schwimmen in diesem See eher ein Treiben ist. Zusammen mit den therapeutischen Qualitäten des Sees, z.B. bei Hauterkrankungen, macht diese Eigenheit den See zu einem beliebten Touristenziel.

Das Tote Meer eignet sich für die industrielle Mineraliengewinnung, wozu man das mineralienreiche Wasser in Becken verdunsten lässt (grüne Flächen im Bild) und die Rückstände gewinnt. Das Wasser weist eine aussergewöhnliche Konzentration an Kalium, Brom, Magnesium und Jod auf und ist damit nicht nur das salzreichste, sondern auch das an Mineralien reichste Gewässer der Erde. Zudem werden Industrie- und Speisesalz und in den Dead Sea Werken in Sodom Pottasche gewonnen.

Bei USGS / ESA gibt ein vergleichbares, ebenfalls erläutertes Bild der Region Totes Meer, aufgenommen am 4. Juli 2013 von Landsat-8.

Totes Meer Quellen: Airbus D&S, eoPortal

Durch die Abtastbreite von 60 km eignen sich SPOT 6 und SPOT 7 für die Erfassung großflächiger Gebiete und besonders für Kartierungs-, Überwachungs- und Monitoringanwendungen:

• Die Konstellation erfasst täglich bis zu 6 Mio. km².
• Wettervorhersagen werden automatisch in den Tasking-Prozess integriert, um die Effizienz zu steigern.
• Standard-Szenen umfassen eine Fläche von 60 km mal 600 km und sind von Nord nach Süd ausgerichtet.

Die beiden Satelliten sind zudem sehr „beweglich“ und können von ihrer Position sehr schnell zu jedem Punkt in einem Radius von 1.500 km manövriert werden.

Die beiden von Astrium (heute Airbus D&S) gebauten Satelliten sind die ersten jemals auf privater Basis gebauten Satelliten und markieren damit einen Wendepunkt innerhalb der Geoinformationsbranche. Obwohl auch bildgebende US-Satelliten wie Ikonos und GeoEye privat finanziert sind, so ist doch anzumerken, dass sie sich dabei auf die garantierte Abnahme durch die National Geospatial Intelligence Agency verlassen können. Airbus D&S besitzt das System (Satelliten und Bodensegment) und die Daten. Gleichzeitig ist Airbus D&S auch der Vermarkter der Daten.

Weitere Informationen:

• SPOT 6 / SPOT 7 (Astrium)
• SPOT 6 / SPOT 7 - Technisches Datenblatt (Astrium)
• SPOT 6 und SPOT 7 (SPOT-Seite von Airbus D & S)
• SPOT-6 and SPOT-7 Commercial Imaging Constellation (eoPortal Directory)
• SPOT Profile (CEOS EO Handbook)

Spotting-System

Ein Aufklärungssatellitensystem, das sich auf bestimmte kleinere Objekte ausrichten lässt, um Bilder mit höherer Auflösung zu machen.

Spurengase und Fernerkundung

Bei Spurengasen handelt es sich allgemein um alle gasförmigen Beimengungen, die neben dem molekularen Sauerstoff (O₂) und molekularen Stickstoff (N₂) in der Atmosphäre vorhanden sind. Die Spurengase werden zusammen mit dem atmosphärischen Aerosol als atmosphärische Spurenstoffe bezeichnet. Wasserdampf (H₂O), der in der Troposphäre in sehr variablen Konzentrationen (Luftfeuchte) vorkommt, wird nicht den troposphärischen Spurengasen zugeordnet. Wasserdampf ist aber in der wesentlich trockeneren Stratosphäre als wichtiges Spurengas von Bedeutung. Der atmosphärische Gehalt eines Spurengases wird deshalb allgemein als Mischungsverhältnis angegeben und auf trockene Luft bezogen. Die mittleren Mischungsverhältnisse der verschiedenen atmosphärischen Spurengase unterscheiden sich um mehrere Größenordnungen. Ihr Wert hängt von der Wirksamkeit aller physikalisch/chemischen Prozesse ab, durch die die einzelnen Spurengase gebildet (Quellen) bzw. zerstört (Senken) werden, wie z.B. photochemische Reaktionen, Deposition, natürliche und anthropogene Emissionen. Die globale Verteilung eines Spurengases ist durch die räumliche Verteilung und zeitliche Variabilität seiner spezifischen Quellen und Senken sowie durch die dynamischen Transportprozesse der atmosphärischen Zirkulation bestimmt.

Liste atmosphärischer Spurengase:

Kohlenstoffdioxid, die Edelgase Neon, Helium, Krypton, Xenon und Radon, ferner Ozon, Kohlenstoffmonoxid, Methan, Wasserstoff, Distickstoffoxid, Hydroxyl-Radikal, Peroxyacetylnitrat, Chloroxide, Iodoxide und Bromoxide und molekulares Iod, andere Stickoxide (neben N₂O), Schwefeldioxid, Quecksilber, organische Verbindungen, wie auch Formaldehyd und Glyoxal, halogenierte Kohlenwasserstoffe biogener und anthropogener Natur und andere.

Viele Eigenschaften unserer Atmosphäre sind durch die Spurenstoffe geprägt. Diese sind durch menschliche Eingriffe und natürliche Prozesse einem ständigen Wandel unterworfen. Um diesen Wandel besser zu verstehen und vorherzusagen, wird die Atmosphäre in den meisten Regionen fortlaufend mit modernen Messinstrumenten untersucht. Entsprechend der Fragestellungen werden dazu sowohl in-situ-Verfahren als auch die Methoden der Fernerkundung eingesetzt.

Die Fernerkundung atmosphärischer Spurenstoffe und Parameter ist praktisch nur durch die Analyse elektromagnetischer Strahlung möglich. Identifiziert werden die Moleküle aufgrund ihrer charakteristischen Spektren; die Konzentration der Spurenstoffe ergibt sich aus der Stärke der thermischen Emission oder der Abschwächung eines externen Signals. Entsprechend werden grundsätzlich zwei verschiedene physikalische Prinzipien angewandt: Absorption eines externen Signals und thermische Emission aus der Atmosphäre. In der Absorptionsspektroskopie ergibt sich das Signal aus der Abschwächung der Intensität I₀ einer Strahlungsquelle durch den zu messenden Spurenstoff.

In der Emissionsspektroskopie wird die thermische Emission elektromagnetischer Strahlung durch atmosphärische Spurenstoffe ausgenutzt, um deren Säulendichte bzw. Konzentration zu bestimmen. Da thermische Emission in nutzbarer Intensität bei allen atmosphärischen Temperaturen nur bei Wellenlängen oberhalb von 3 - 4 µ stattfindet, ist Emissionsspektroskopie nur im Infrarot- und Mikrowellenbereich möglich. Damit sind aber Messungen ohne fremde Strahlungsquellen (z.B. die Sonne) am Tag und in der Nacht möglich.

Weitere Informationen:

• Atmosphärische Spurenstoffe und ihre Sondierung (Burrows, John et al. In: CHIUZ 2007, 41, 170 – 191)

SRTM

Siehe Shuttle Radar Topography Mission

SSA

Engl. Akronym für Space Situational Awareness (Programm zur Weltraumlageerfassung); optionales Programm der europäischen Weltraumorganisation ESA zur Überwachung des Weltraums, finanziert von 19 Mitgliedsstaaten der ESA. Das aktuelle Budget bis 2020 liegt bei 95 Millionen Euro. Damit soll unter anderem ein Netzwerk für Europa implementiert werden, das unabhängig von Daten des US-Programms Space Surveillance System ist.

Die Erde ist wie alle Himmelskörper von einem lebensfeindlichen Raum, dem Weltraum umgeben. Dieser wird von energiereicher kosmischer Strahlung aus den Tiefen des Alls sowie Teilchenstrahlung von der Sonne - dem Sonnenwind – durchströmt. Beide treten in Wechselwirkungen mit den oberen Schichten der Erdatmosphäre und können so zu Störungen in Kommunikationssystemen oder der Energieversorgung unserer hoch technisierten Welt führen. Aber auch die elektronischen Baugruppen der die Erde umkreisenden Satelliten sind gefährdet.

Andere Sorgen bereiten im Sonnensystem herumvagabundierende Asteroiden, Meteoriden und Kometen, die vereinzelt auch die Umlaufbahn der Erde um die Sonne kreuzen können. Dabei besteht durchaus die Gefahr der Kollision mit für die Menschheit drastischen Folgen. Und dass es sich hierbei nicht nur um eine Theorie handelt, zeigen die Überreste alter Einschlagskrater auf der Erdoberfläche. Wenn ein derartiges Objekt groß genug ist, könnten infolge des Einschlags durchaus große Teile des irdischen Lebens vernichtet werden wie vor etwa 65 Millionen Jahren mit den Dinosauriern geschehen.

Ein weiteres, neueres Phänomen ist der so genannte Weltraumschrott – ein von Menschen geschaffenes Problem. Seit gut 50 Jahren werden Satelliten in verschiedene Bahnen um die Erde geschossen. Dabei entsteht Schrott: ausgebrannte Raketenstufen, abgesprengte Verbindungsteile, ausgediente Satelliten oder Teile explodierter Raketenstufen und Satelliten. Derzeit sind annähernd 18.000 größere Objekte erfasst, die die Erde umkreisen und welche die etwa 1000 aktiven Satelliten gefährden.

Glücklicherweise werden die meisten Objekte nach unterschiedlicher Zeit in der Erdatmosphäre vernichtet, da die dünnen oberen Schichten sie langsam abbremsen, bis sie in Richtung Erdoberfläche stürzen. Durch den Luftwiderstand mit den Teilchen der Atmosphäre verglühen sie schließlich.

Teile von großen Objekten wie Oberstufen oder sehr große Satelliten werden dabei nicht immer vollständig zum Verglühen gebracht und können durchaus auf der Erdoberfläche aufschlagen. Zuletzt passierte das beim Absturz des amerikanischen Satelliten UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) Ende September 2011, als Fragmente des omnibusgroßen Satelliten über dem Pazifik niedergingen.

Trotz dieser „heißen“ Entsorgung in der Atmosphäre nimmt die Anzahl von Müllteilen in der Umgebung der Erde ständig zu. Und damit wird auch die Raumfahrt selbst zunehmend gefährdet. So musste die Internationale Raumstation ISS bereits mehrmals Objekten, die sich ihr bedrohlich näherten, durch geringfügige Bahnänderungen ausweichen. Und im Februar 2009 ist beispielsweise ein ausgedienter Satellit – Kosmos 2251 – mit dem Kommunikationssatelliten Iridium 33 kollidiert. Dies führte zu mehr als 2200 Fragmenten, die größer als 10 cm sind, sowie einer nicht genau erfassbaren Zahl noch kleinerer Teile führte.

Erste Satellitenkollision im Weltraum Quelle: ESA

Das SSA-Programm der ESA soll drei Kernziele erreichen:

• Weltraumüberwachung (Space Surveillance and Tracking, SST): Die Suche nach aktiven und inaktiven Satelliten, ausgebrannten Oberstufen oder weiterem Raumfahrtschrott in den Erdumlaufbahnen.
• Das Weltraum-Wetter (Space Weather, SWE): Die Beobachtung und Prognose der Sonnenaktivitäten und der Planetenumgebung, inklusive des Magnetfeldes, der Ionosphäre und Thermosphäre der Erde, die die Infrastruktur am Boden und im Weltraum sowie die Gesundheit und Sicherheit der Menschheit beeinflussen können.
• Erdnahe Objekte (Near Earth Objects, NEO): Die Entdeckung natürlicher Objekte wie Asteroiden, die auf der Erde einschlagen und Schaden anrichten könnten.

Weitere Informationen:

• SSA preparatory programme (In: esa bulletin 147)
• Das ESA-Programm zur Weltraumlageerfassung
• SSA-Seite (ESA)

SSBUV

Engl. Akronym für Shuttle Solar Backscatter Ultraviolet Spectrometer; Atmosphärensensor mit elf Einsätzen auf dem Space Shuttle zwischen 1989 und 1996. Das Spektrometer benutzt die ultraviolette Rückstreuung in Nadir-Richtung um Vertikalprofile der Ozonverteilung in der Stratosphäre und in der unteren Mesosphäre zu erstellen.

Weitere Informationen:

• SSBUV (eoPortal Directory)

SSH

Engl. Akronym für Sea Surface Height, Meeresspiegelhöhe; dies ist der Abstand an einem bestimmten Punkt zwischen der Meeresoberfläche und einem Referenzellipsoid. Die Meeresspiegelhöhe kann mit Hilfe der Satellitenaltimetrie bestimmt werden.

Anomalien der Meeresspiegelhöhen nach Jason-1-Daten Ausschnitt aus dem Pazifik Quelle: NASA

Weitere Informationen:

• Ocean Surface Topography from Space (NASA, JPL)

SSO

Siehe sonnensynchrone Umlaufbahn

SST

1. Engl. Akronym für Sea Surface Temperature, s. Meeresoberflächentemperatur
2. Engl. Akronym für Satellite-to-Satellite Tracking, Beobachtung der Relativbewegung zweier (frei fallender) Satelliten. Die Entfernungsänderungen zwischen den beiden Satelliten sind ein Maß für die Inhomogenitäten des Gravitationsfeldes der Erde, welches somit hochgenau bestimmt werden kann. Man unterscheidet zwei Konfigurationen: bei Hoch-Niedrig-SST befindet sich einer der beiden Satelliten in einer hohen Umlaufbahn um die Erde (im Fall der GPS-Satelliten etwa 20.000 km über der Erdoberfäche), der andere in einer niedrigen (z.B. 400 km). Bei Niedrig-Niedrig-SST befinden sich beide Satelliten in einer niedrigen Umlaufbahn um die Erde (Flughöhe etwa 400 km über der Erdoberfläche).

SSTL

Engl. Akronym für Surrey Satellite Technology Ltd; Unternehmen in Guildford (Surrey, England) das sich mit der Herstellung und dem Betrieb von Kleinsatelliten befasst. SSTL wurde 1985 als Spin-Off-Firma der Universität von Surrey gegründet, um deren Ergebnisse zur Satellitenforschung kommerziell zu vermarkten. SSTL fand 2002 ihren Eintritt in Fernerkundungsdienstleistungen über die Gründung der Disaster Monitoring Constellation (DMC) und den Bau der zugehörigen Satelliten. Seit 2008 befindet sich SSTL im Mehrheitsbesitz von EADS Astrium, heute Airbus Defence & Space.

Weitere Informationen:

• Surrey Satellite Technology Limited - Startseite

Stabilisation

Syn. Lageregelung; dient dazu, dass Raumflugkörper (Raumsonden, Satelliten, Raumschiffe) in einer bestimmten Richtung ausgerichtet bleiben, damit sie ihre Aufgabe erfüllen können. Man unterscheidet unter Anderem: Gravitationsstabilisation, Spin-Stabilisierung, Drallstabilisation, Dreiachsenstabilisation.

Stadt und Fernerkundung

Die Erdbeobachtung ist für den städtischen Raum ein noch junges Mittel zur Daten- und Informationsgewinnung, auf die stadtanalytische und -planerische Arbeit aufbauen kann. Die seit den neunziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts zu beobachtenden raschen Entwicklungen flugzeug- und satellitengestützer Sensoren ermöglichen die kleinräumige, heterogene Charakteristik städtischer Räume geometrisch und thematisch sehr detailliert und in kurzen Zeitintervallen zu erfassen. Allerdings finden die mittels Fernerkundung erhobenen Daten bislang nur geringen Eingang in den stadtplanerischen Alltag.

Physische Strukturen einer Stadt lassen indirekt Schlüsse auf demographische und sozioökonomische Parameter zu. Welche Rolle multiskalige, multitemporale und multisensorale Fernerkundungsdaten und Methoden im Hinblick auf ihre Potenziale zur direkten Ableitung physischer Informationen über die Art der Urbanität spielen können, ist z.Z. trotz einer Vielzahl wissenschaftlicher Arbeiten (vgl. Taubenböck / Dech 2010) und angesichts rascher technologischer Entwicklung bei Sensorik oder bei der automatisierten Ableitung von Objekttypen nur bedingt zu beurteilen.

Einsatzmöglichkeiten für Fernerkundung im urbanen Raum:

• Bereitstellung einer aktuellen, flächendeckenden und relativ kostengünstigen Geo-Informationsbasis, um das kleinräumige physische urbane System zu erfassen.
• Thematische Erfassung der Landbedeckung mit einer Klassifikationsgüte von über 90 % bei weitgehender Automatisierung des Prozessablaufs.
• Wertvolle raumbezogene Grundlageninformationen für die Stadtplanung, die unabhängig von administrativen Einheiten, flächendeckend und hoch aktuell bereitgestellt werden können.
• Flächendeckende Erfassung städtischer Oberflächenmaterialien, z.B. zur Beurteilung der stadtplanungsrelevanten Wirkung der Umwidmung von versiegelten Flächen zu Grünanlagen oder zu stadtklimatologischen Betrachtungen.
• Stereo-Luftbildtechnologie ermöglicht die Erstellung von detailgenauen fotorealistischen 3-D-Stadtmodellen mit einer geometrischen Auflösung von bis zu 5 cm (2010). Damit ergeben sich Potenziale für das Katasterwesen im Bereich Aktualisierung oder Neuerfassung, ferner in den Bereichen der Standort- und Wirtschaftsförderung, Immobilienvermarktung, Innere Sicherheit (Einsatzplanung, Flucht- und Rettungswege), Umweltanalysen, Tourismus.
• Automatische Analyse von Menschenmassen aus Luftbildsequenzen als Ergänzung der terrestrischen Datenerfassung.
• Bereitstellung krisenrelevanter Geoinformationen, z.B. zur Überwachung von Zugbahnen von Hurrikanen, der Detektion von potentiellen Hangrutschungsgebieten oder dem Messen von Deformationen bei Vulkanen; Abschätzung oder Kartierung der Auswirkungen von Naturgefahren (Vulnerabilität).
• Von der NASA geförderte Wissenschaftler haben zum ersten Mal die gesundheitlichen Folgen in Städten auf der ganzen Welt mit satelliten- und bodengestützten Daten zur Luftverschmutzung in Verbindung gebracht. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Luftqualität trotz Verbesserungen in einigen Teilen der Welt und bei bestimmten Schadstoffen nach wie vor ein wichtiger Faktor für die Entstehung von Krankheiten ist. Die Verringerung der Luftverschmutzung ist für die öffentliche Gesundheit von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Kinder, die besonders anfällig für Atemwegserkrankungen wie Asthma sind.

Zweifellos kann von Fernerkundungsdaten die hohe räumliche und thematische Qualität und Verlässlichkeit von Katasterinformationen nicht erreicht werden. Erwartungen der Stadtentwicklungsplanung an Fernerkundungsdaten bestehen vornehmlich in den Bereichen Flächenmonitoring, Typisierung von Freiräumen und Siedlungsbereichen, regionale Klimaanalysen, Vulnerabilitätsstudien, Ermittlung von Eignungsräumen für die Erzeugung regenerativer Energien, Bereitstellung von Grundlagen für großräumige Umweltprüfungen und Sensitivitätsanalysen, z.B. im Zusammenhang mit großen Infrastrukturprojekten.

Weitere Informationen:

• Baum in the City (DLR)
• No Breathing Easy for City Dwellers: Nitrogen Dioxide (NASA Earth Observatory 2022)
• No Breathing Easy for City Dwellers: Particulates (NASA Earth Observatory 2022)
• City heat extremes (ESA 2022)

Standardabweichung

Die Standardabweichung ist ein Maß für die Streubreite der Werte eines Merkmals rund um dessen Mittelwert (arithmetisches Mittel). Vereinfacht gesagt, ist die Standardabweichung die durchschnittliche Entfernung aller gemessenen Ausprägungen eines Merkmals vom Durchschnitt.

Stehen alle Werte der Grundgesamtheit zur Verfügung, ergibt sich folgende Formel:

Der Begriff Standardabweichung steht in enger Verbindung mit der Gaußschen Normalverteilung und wird in Zusammenhang mit der Fehlerrechnung auch Standardfehler genannt.

Engl. standard deviation; nach DIN 18716 die "Quadratwurzel der Varianz als Rechengröße für die zufälligen Abweichungen einzelner Werte von ihrem Mittelwert".

Starlette

Franz. Akronym für Satellite de Taille Adaptée avec Réflecteurs Laser pour les Etudes de la Terre; 1975 gestartete Mission der CNES zu Aufgaben im Bereich der Geodäsie sowie zur Untersuchung des irdischen Schwerefeldes und dessen zeitlichen Veränderungen. Wie die spätere Mission Stella besitzt Starlette als passive Instrumente 60 Laserreflektoren um mit ihnen Laserentfernungsmessung (SLR, Satellite Laser Ranging) durchzuführen. Er umkreist die Erde auf einer geneigten, nicht-sonnensynchronen Umlaufbahn in 812 km Höhe (Inklination 49,83°). Die Umlaufzeit beträgt 104 min.

Weitere Informationen:

• Starlette Profil (CEOS EO Handbook)

Starsem

1996 gegründete russisch-französische Firma zur Vermarktung kommerzieller Satellitenstarts mit der russischen Trägerrakete Sojus vom Weltraumbahnhof in Baikonur, ab 2008 auch vom ESA-Weltraumbahnhof in Kourou. An Starsem sind die Unternehmen Arianespace (15 %), EADS (35 %), die russische Weltraumagentur Roskosmos (25 %) und der Hersteller der Rakete, das „Samara Space Center“ (TsSKB Progress) (25 %), beteiligt. Unter anderem liegen Startaufträge von Seiten der ESA, für Eumetsat und Globalstar vor.

Weitere Informationen:

• Starsem - The Soyuz Company

Startfenster

Bezeichnung für den Zeitraum, zu dem ein Start eines Raumflugkörpers möglich ist, so dass die Mission unter gegebenen Bedingungen erfüllt werden kann. Gelingt es nicht, den Start innerhalb des Startfensters durchzuführen, muss er bis zum nächsten Startfenster verschoben werden.

Experten differenzieren zwischen launch period (Abschussfrist, Startperiode), einer Anzahl von Tagen und launch window (Startfenster), einer Zeitspanne an einem bestimmten Tag, in der eine bestimmte Rakete gestartet werden muss, um ihr angestrebtes Ziel zu erreichen. Startfenster und Startperioden werden in der Öffentlichkeit oft austauschbar verwendet, sogar innerhalb derselben Organisation. Diese Definitionen werden jedoch von den Startmanagern und Flugbahnanalytikern der NASA (und anderer Raumfahrtagenturen) verwendet.

Die Lage und Größe von Startperiode/Startfenster hängen vom Startplatz, von den Energiereserven und der Steuerbarkeit der verfügbaren Trägerrakete sowie dem eigentlichen Missionsprofil ab.

Sofern die Mission nur daraus besteht, einen Raumflugkörper in die Erdumlaufbahn zu bringen, kann der Start zu fast jedem beliebigen Zeitpunkt stattfinden. Das Startfenster ergibt sich dann aus weiteren Einschränkungen, beispielsweise der Anforderung, dass der Start bei Tageslicht erfolgen soll.

In manchen Fällen ist das Ziel der Mission, ein Rendezvous mit einem bereits in der Erdumlaufbahn befindlichen Raumschiff durchzuführen. Rendezvous erfolgen mehrmals jährlich mit der Internationalen Raumstation (ISS), die von Sojus-Raumschiffen und Raumtransportern angeflogen wird. Die Lage des Startfensters ergibt sich aus der Tatsache, dass ein Raumflugkörper im Orbit in Abständen von etwa 24 Stunden jeden Punkt der Erde überfliegt, dessen geographische Breite geringer als die Bahnneigung ist. Innerhalb des Startfensters gibt es einen Zeitpunkt mit der geringsten aufzuwendenden Energie. Wird nicht zu diesem Zeitpunkt gestartet, wird mehr Treibstoff benötigt. Die Größe des Startfensters ergibt sich dann aus den Energiereserven und der Steuerbarkeit der Trägerrakete.

Besondere Präzision beim Start ist notwendig, wenn der gestartete Satellit ein Teil einer Satellitengruppe ist, und die erforderliche Umlaufbahn mit mehreren anderen Satelliten synchronisiert sein muss. Das Startfenster kann in diesen Fällen bis auf wenige Sekunden schrumpfen, wie beispielsweise bei den Satelliten des A-Train.

Erdbeobachtungssatelliten werden oft in sonnensynchrone Umlaufbahnen gebracht, die nahezu polar sind. Bei diesen Bahnen erfolgt das Startfenster zu der Tageszeit, zu der der Standort des Startplatzes auf die Ebene der gewünschten Umlaufbahn ausgerichtet ist. Ein Start zu einem anderen Zeitpunkt würde ein Manöver zum Wechseln der Umlaufbahnebene erfordern, für das eine große Menge an Treibstoff erforderlich wäre.

Bei Starts oberhalb des niedrigen Erdorbit (LEO) kann die tatsächliche Startzeit etwas flexibel sein, wenn ein Parkorbit verwendet wird, da die Neigung und die Zeit, die das Raumfahrzeug anfangs im Parkorbit verbringt, variiert werden können.

Der Energiebedarf für eine Raumsonde zu anderen Planeten hängt extrem vom Startzeitpunkt ab. Die energiegünstigste Variante ist der Transfer auf der Hohmannbahn. Dabei beginnt die Startperiode nur ein Mal während der synodischen Umlaufzeit des Zielplaneten. Diese beträgt beim Mars über zwei Jahre, bei anderen Planeten weniger.

Bei Missionen zu den äußeren Planeten muss auch die Position des Jupiter berücksichtigt werden, der meist für ein Swing-by-Manöver verwendet wird.

Die Dauer des Startperiode beträgt bei einer Planetenmission mehrere Tage bis wenige Wochen, abhängig von den Leistungsreserven der Trägerrakete. Innerhalb dieser Zeit kann aufgrund der Erdrotation auch nur zu einer bestimmten Zeit am Tag gestartet werden, so dass sich das Startfenster über eine längere Zeit täglich einmal öffnet. Der erste Startversuch wird üblicherweise auf einen Termin einige Tage vor dem optimalen Zeitpunkt gelegt, so dass Verzögerungen durch technische Probleme oder das Wetter ausgeglichen werden können.

Stefan-Boltzmann-Gesetz

Engl. Stefan-Boltzmann law; nach J. Stefan (1835-1893) und L. E. Boltzmann (1844-1906) benanntes Gesetz zur Bestimmung der Gesamtenergiedichte über alle Spektralbereiche, die der Fläche unter der Planckschen Strahlungskurve entspricht (Plancksches Strahlungsgesetz).

Jeder Körper sendet elektromagnetische Strahlung aus. Diese Wärmestrahlung hängt von der Wellenlänge, von der Temperatur des Körpers sowie von seiner Oberflächenbeschaffenheit ab. Bei ideal rauher Oberfläche (schwarzer Körper) ist die über alle Wellenlängen summierte Gesamtstrahlung nur eine Funktion der Temperatur:

Der Zusammenhang zwischen Gesamtenergiedichte und Temperatur kann jedoch nicht zur Bestimmung der Temperatur mit Hilfe von Methoden der Fernerkundung genutzt werden, denn die Sensoren sind meist nur in ausgewählten Spektralbereichen sensitiv. Natürlich vorkommende Oberflächen strahlen infolge der Absorption nicht die vollständige Energiemenge eines schwarzen Körpers mit der gleichen Temperatur ab. Daher ist für die Anwendung auf natürliche Objekte eine Modifikation des Stefan-Boltzmann-Gesetzes erforderlich. Es wird um den Emissionskoeffizienten ε dieser Oberflächen (u(T)=σ·T⁴·ε) erweitert.

Stella

Franz. Akronym für Satellite de Taille Adaptée avec Réflecteurs Laser pour les Etudes de la Terre; 1993 gestartete Mission der CNES zu Aufgaben im Bereich der Geodäsie sowie zur Untersuchung des irdischen Schwerefeldes und dessen zeitlichen Veränderungen. Wie die frühere Mission Starlette besitzt Stella als passive Instrumente 60 Laserreflektoren um mit ihnen Laserentfernungsmessung (SLR, Satellite Laser Ranging) durchzuführen. Er umkreist die Erde auf einer polaren, nicht-sonnensynchronen Umlaufbahn in 830 km Höhe (Inklination 98°). Die Umlaufzeit beträgt 101 min.

Weitere Informationen:

• STELLA Profil (CEOS EO Handbook)

STEREO

Engl. Akronym für Solar TErrestrial RElations Observatory; Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA aus zwei fast identischen Raumsonden, die die Sonne und die Wechselwirkung ihrer Teilchenausbrüche und Felder mit der Magnetosphäre der Erde erstmals dreidimensional beobachten sollen. Der Start erfolgte am 26. Oktober 2006 um 0:52 Uhr UTC mit einer Delta II 7925-10L von Cape Canaveral in Florida aus.

Der Kontakt zu STEREO-B brach 2014 ab, nachdem er in eine unkontrollierte Schleuderbewegung geraten war, die verhinderte, dass seine Solarpaneele genügend Energie erzeugen konnten, aber STEREO-A ist immer noch in Betrieb (2022).

Wissenschaftliche Ziele der Mission:

• Verständnis der Ursachen und Mechanismen der koronalen Masseauswürfe (engl. coronal mass ejections, CME)
• Beschreibung der Ausbreitung koronaler Masseauswürfe in der Heliosphäre
• Entdeckung der Mechanismen und Stellen der Beschleunigung der Partikel in der unteren Korona und im interplanetaren Raum.
• Ermittlung der genauen Struktur des Sonnenwindes

Koronale Massenauswürfe (CMEs) und STEREO

Koronale Masseauswürfe (CMEs, coronal mass ejections) sind mächtige Eruptionen, die bis zu 10 Mrd. Tonnen der Sonnenatmosphäre in den interplanetaren Raum schleudern können. Da sie sich mit Geschwindigkeiten von ca. 1,6 Mio. km/h von der Sonne wegbewegen, können CMEs schwere Störungen im interplanetaren Raum bewirken und starke Magnetstürme auslösen, wenn sie mit der irdischen Magnetosphäre kollidieren.

Größere Magnetstürme, die zur Erde gerichtet sind, können Satelliten beschädigen und sogar zerstören, sie sind höchst gefährlich für Astronauten, die sich gerade in einem Außeneinsatz (Extra Vehicular Activities, EVAs) befinden, und sie können den Zusammenbruch von Stromnetzen auf der Erde bewirken.

Die beiden nahezu identischen Observatorien - eines eilt der Erde auf seiner Umlaufbahn um die Sonne voraus, das andere hinterher - spüren den Energie- und Teilchenstrom von der Sonne zur Erde auf. STEREO hat die 3D-Struktur der koronalen Masseauswürfe enthüllt, jene heftigen Teilchenausbrüche von der Sonne, die große Schäden bewirken können. STEREO ist insofern eine Kernmission innerhalb der Satellitenflotte, die sich mit dem Weltraumwetter befasst, als sie mit Hilfe ihrer seitlichen Beobachtungsposition genauere Informationen über den Ankunftszeitpunkt von Sonnenausbrüchen auf der Erde liefern kann.

Die STEREO-Raumsonden auf ihrem Orbit um die Sonne Quelle: NASA

Die STEREO-Raumsonden tragen jeweils folgende vier Instrumente bzw. Instrumentengruppen an Bord:

• Sun Earth Connection Coronal and Heliospheric Investigation (SECCHI)
  Instrumentenpaket, welches aus vier einzelnen Instrumenten besteht: einer Ultraviolett-Kamera, zwei Weißlicht-Koronografen und einer Kamera zur Beobachtung der Heliosphäre. Diese Instrumente werden die koronalen Massenauswürfe auf ihrer Reise von der Geburt auf der Sonnenoberfläche an durch die Sonnenkorona und den interplanetaren Raum bis zum anschließenden Auftreffen auf der Erde mit einer dreidimensionalen Auflösung beobachten.
• EREO/WAVES (SWAVES)
  SWAVES verfolgt die von der Sonne erzeugten Radiostörungen auf ihrem Weg von der Sonne bis zur Erde.
• In-situ Measurements of PArticles and CME Transients (IMPACT)
  IMPACT ermittelt die dreidimensionale Verteilung und die Plasmaeigenschaften der energiereichen Sonnenpartikel ermitteln und misst das lokale Magnetfeld.
• PLAsma and SupraThermal Ion Composition (PLASTIC)
  PLASTIC wird die Plasmaeigenschaften von Protonen, Alphateilchen und schweren Ionen studieren. Das Instrument wird die Massen- und Ladungsverteilung der schweren Ionen und die Unterschiede zwischen dem Plasma der koronalen Massenauswürfe und dem umgebenden Plasma ermitteln.

Stereoauswertegerät

Ausschließlich für die Bearbeitung stereoskopisch aufgenommener Bildpaare bestimmtes Auswertegerät. Seine Grundbestandteile sind: zwei Bildträger, ein System zur stereoskopischen Betrachtung, zwei Einrichtungen zur optischen oder mechanischen Projektion sowie eine Vorrichtung zur Ausgabe der Messergebnisse.

Stereobild(paar)

Engl. stereo-pair; franz. pair stéréoscopique; ein Stereobildpaar ist ein für stereoskopische Auswertung geeignetes Bildpaar aus raumparallaktisch verschiedenen, jedoch weitgehend inhaltsgleichen Halbbildern.

Prinzip der Luftbild-Stereophotographie Einsatz z.B. bei der kartographischen Vermessung. Für die Erstellung genauer topographischer Karten wird von einem Flugzeug oder Satelliten der Punkt P aus zwei verschiedenen Positionen aufgenommen. Dieses messtechnische Verfahren wird als Photogrammetrie bezeichnet. Quelle: Hoffmann, Albrecht (2002): Das Stereoskop. München

Bei der Satellitenfernerkundung sind z.Z. zwei Verfahren zur Erzeugung von Stereobildern im Einsatz. Zum einen kann (wie beim SPOT-Instrument) die Blickrichtung des Sensors senkrecht zur Bahn verschwenkt werden. Damit wird das gleiche Gebiet bei unterschiedlichen Überflügen unter verschiedenen Blickwinkeln aufgezeichnet. Der Nachteil liegt in den nicht identischen Beleuchtungsbedingungen. Das zweite Verfahren beruht auf der Verfügbarkeit zweier identischer Instrumente an Bord, von denen eines in Bahnrichtung nach vorne, das andere nach hinten zeigt. Die Stereo-Paare werden somit bei einem Überflug aufgezeichnet. Dieses Prinzip wird beim MOMS-2P-Sensor angewandt.

Stereobilddaten

Engl. stereo image data, franz. données d'images stéréoscopiques; nach DIN 18716 "Bilddaten desselben Objektes, die von unterschiedlichen Aufnahmeorten aufgenommen sind und die gemeinsame stereoskopische Auswertung ermöglichen".

Stereoeffekt

Physiologische Verschmelzung zweier Bilder eines Stereobildpaares zum Raumbild.

Während der Betrachter eines ebenen Bildes durch das Zusammenwirken verschiedener Einzelfaktoren (z.B. Perspektive, Licht und Schatten) indirekt einen räumlichen Eindruck von den abgebildeten Objekten erhält, führt das stereoskopische Sehen zu einer direkten Wahrnehmung der dritten Dimension. Dieser beim alltäglichen Betrachten unserer Umwelt selbstverständliche Effekt beruht darauf, dass die beiden Augen stets um den Augenabsatnd voneinander entfernte Orte einnehmen und darum die Netzhautbilder beim Betrachten unserer Umgebung nicht identisch sind.

Entsprechende geometrische Unterschiede (Parallaxen) treten auch in Bildern einer identischen Szene auf, die von zwei Punkten aus aufgenommen wurden. Daher kann das Stereosehen leicht künstlich erzeugt werden, indem man beiden Augen gleichzeitig Bilder darbietet, die sich nur um Parallaxen voneinander unterscheiden.

Stereoskop

Engl. stereoscope, franz. stéréroscope; binokulares optisches Gerät, mit dem man Bilder nicht nur zweidimensional betrachten kann, sondern auch den Eindruck räumlicher Tiefe erhält. Das Stereoskop gibt zwei Photographien desselben Objekts, die jeweils aus einem leicht unterschiedlichen Winkel aufgenommen wurden, gleichzeitig wieder. Die Aufnahmekamera musste also entweder leicht verschoben werden, oder zwei Objektive haben.

Im Stereoskop sieht jedes Auge ein Bild. Jedes der beiden Bilder wird durch eine eigene Linse betrachtet, wobei die beiden Linsen schräg angeordnet sind, damit die Bilder zueinander verschoben werden. Als Ergebnis verschmelzen sie beim Betrachten zu einem dreidimensionalen Bild. Weitere Geräte für die stereoskopische Wiedergabe sind u.a. Spiegel-Stereoskop, Stereobrille, -projektor, -bildwand, Shutterbrille.

Mit Spiegelstereoskopen können Kontaktkopien von Luftbildern, die im "Normalfall" (genäherte Senkrechtaufnahmen mit Überlappungsbereich) aufgenommen wurden, als virtuelles räumliches Modell des aufgenommenen Geländes betrachtet werden. Dadurch können Höhenunterschiede wahrgenommen werden. Die Betrachtung erfolgt wahlweise durch Sammellinsen oder durch ein optisches System zur Vergrößerung der Bildausschnitte. Spiegelstereoskope werden für Aufgaben eingesetzt, bei denen nicht eine metrisch genaue Auswertung sondern eine differenzierte Analyse des Bildinhaltes im Vordergrund steht (z.B. Forstwesen oder Geologie).

Stereoskope I Sie dienen zur stereoskopischen Betrachtung von Stereobildpaaren mit räumlicher Bildtrennung (Abb.). Hinsichtlich der Anwendung werden Linsen- und Spiegelstereoskope unterschieden. Ein Linsenstereoskop mit zwei im Augenabstand angeordneten Linsen ermöglicht nur die Betrachtung von Bildern bis zu einem Format von etwa 5 cm x 5 cm. Quelle: GeoDZ

Stereoskope II Mit einem Spiegelstereoskop können durch die Anordnung von zwei Spiegelpaaren im Strahlengang auch Bilder grösseren Formates stereoskopisch betrachtet werden. Quelle: agritura

Stereoskopie

Verfahren zur Aufnahme und Wiedergabe von Stereobildern, um räumliches Sehen unter künstlichen Bedingungen dadurch zu erzielen, dass jedem Auge nur das ihm entsprechende Teilbild eines räumlichen Gegenstandes zugeführt wird.

Weitere Informationen:

• Tutorial: Radar and Stereoscopy (PDF-Version, CCRS)
• Das Stereoskop (A. Hoffmann)
• Lexikon der Stereoskopie
• Geschichte der Stereoskopie (M. Kohler)

Stereoskopische Auswertung

Das bei dieser Auswertung nötige stereoskopische Sehen ist die Wahrnehmung eines Raumbildes durch Betrachtung zweier zueinander orientierter Bilder, die jeweils aus einem leicht unterschiedlichen Winkel aufgenommen wurden.

Strahldichte L

Engl. radiance, franz. radiance; die Strahldichte L ist entweder der von der Flächeneinheit in die Raumwinkeleinheit abgegebene oder aus der Raumwinkeleinheit auftreffende Strahlungsfluss pro Zeiteinheit t.

DIN 18716 formuliert: "Quotient aus der durch eine Fläche in einer Richtung durchtretenden (auftreffenden) Strahlungsleistung und dem Produkt aus dem durchstrahlten Raumwinkel und der Projektion der Fläche auf eine Ebene senkrecht zur betrachteten Richtung".

Strahlstärke I

Syn. Strahlungsintensität; engl. radiant intensity, franz. intensité rayonnante; die Strahlstärke I ist der von einer Fläche in die Raumwinkeleinheit abgegebene Strahlungsfluss. DIN 18716 formuliert: "Quotient aus der von einer Strahlungsquelle in einer Richtung ausgehenden Strahlungsleistung und dem durchstrahlten Raumwinkel".

Strahlung

Engl. radiation, franz. rayonnement; Energiefluss in Gestalt von Wellen oder Teilchen, die Energie abgeben, wenn sie von einem Körper absorbiert werden. Zur Wellenstrahlung gehören die elektromagnetische Strahlung und der Schall, zur Teilchenstrahlung gehören einheitliche Ströme kleinster Teilchen wie z.B. Elektronen, Neutronen oder Atomkernen. Sehr komplex zusammengesetzt ist die kosmische Strahlung. Jede Strahlung transportiert auf Grund der Äquivalenz von Energie und Masse auch Impuls. So führt z.B. elektromagnetische Strahlung, wie Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung, aber auch die Strahlung geladener Teilchen zur Ionisation.

Nach der Wellenlänge unterscheidet man kurz- und langwellige Strahlung. Kurzwellige Strahlung hat Wellenlängen, die kürzer als die des sichtbaren Lichts sind (380 nm (violett) - 780 nm (rot)), entsprechende besitzt langwellige Strahlung Wellenlängen, die länger als die des sichtbaren Lichts sind. Häufig wird das sichtbare Licht komplett der langwelligen Strahlung zugerechnet.

Eine bestimmte Strahlungsart kann nur dann für Fernerkundungszwecke eingesetzt werden, wenn die Atmosphäre für diese Strahlung weitgehend durchlässig ist. Eine Maßangabe hierfür ist der Transmissionsgrad t. Je größer t, desto durchlässiger ist die Atmosphäre für die Strahlung. Der Teil der Strahlung, der die Atmosphäre nicht durchdringen kann, wird von dieser absorbiert. Je kleiner der Transmissionsgrad, desto größer ist der Absorptionsgrad.

Für die Fernerkundung sind verschiedene Bereiche des Spektrums nutzbar. Gamma-, Röntgen- sowie Ultraviolett-Strahlung scheiden aufgrund des hohen Absorptionsgrades der Atmosphäre größtenteils aus, bis auf sehr wenige Spezialanwendungen. Sehr gut nutzbar ist dagegen der Bereich des sichtbaren Lichts (VIS, 380 bis 720 nm), in welchem die Strahlung ungehindert bis zur Erde gelangen kann. Weitere nutzbare Spektralbereiche sind der sich anschließende Infrarotbereich (IR, 720 nm  bis 1 mm) sowie der Bereich der Mikrowellen (1 mm bis 1 m). Der infrarote Bereich wird in das nahe Infrarot (auch reflektiertes oder solares IR, 720 nm bis etwa 1.3 µm), das mittlere Infrarot (1.3 µm bis 3.0 µm) sowie in das ferne Infrarot (auch thermisches IR, 7 µm bis 1 mm) unterteilt. Diese Bereiche sind jedoch nicht vollkommen homogen nutzbar. Es existieren abwechselnd aufeinander verschieden kurze Intervalle der Transparenz und der Undurchlässigkeit der Atmosphäre (atmosphärische Fenster).  In den Bereichen von 2.5 µm bis 3.5 µm und von 5.0 µm bis 7.5 µm werden die Infrarotstrahlen von der Atmosphäre absorbiert, d.h. in diesen Bereichen ist keine Fernerkundung möglich. In den Bereichen von 0.7 µm bis 2.5 µm, von 3.5 µm bis 4.0 µm sowie von 8.0 µm bis 12.0 µm ist dagegen ein sehr hoher Transmissionsgrad der Atmosphäre vorhanden.

Während sich elektromagnetische Wellen im Vakuum ungehindert ausbreiten können, werden sie von gasförmigen, flüssigen und festen Materiebausteinen beeinflusst. Dadurch ändern sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und -richtung, die Strahlung kann aber auch reflektiert oder absorbiert werden. Diesen materialspezifischen Wechselwirkungen ist es zu verdanken, dass mit Hilfe der Fernerkundung Informationen über entfernte Objekte gewonnen werden können.

Die an einem Sensor empfangene Strahlung wird durch verschiedene Faktoren wie Beleuchtungsunterschiede, atmosphärische Einflüsse, Blickwinkel oder Charakteristika des Sensors selbst modifiziert. Ob radiometrische Korrekturen, d.h. Korrekturen der empfangenen Reflexionswerte, vorgenommen werden müssen, hängt von der Anwendung ab.

Strahlungsabsorption

Die i.a. wellenlängenabhängige Schwächung elektromagnetischer Strahlung beim Durchgang durch Materie. Dabei wird dem Strahlungsfeld Energie entzogen und in Anregungsenergie des Mediums umgewandelt. Das Medium kann ein atomares oder molekulares Gas, eine Flüssigkeit oder ein Festkörper sein.

Der Absorptionskoeffizient  µ [m^-1] ist stoffabhängig,  verschiedene Stoffe absorbieren also unterschiedliche Frequenzen. Bekannt ist diese Stoff- und Frequenzabhängigkeit aus so genannten Absorptionsspektren, beispielsweise von Sternen, mit deren Hilfe Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Sterne gezogen werden können.

Strahlungsantrieb

1. Der Strahlungsantrieb (engl. radiative forcing) ist ein Maß für den Einfluss, den ein Faktor auf das Gleichgewicht von hereinkommender und abgehender Energie im System Erde-Atmosphäre hat, und ist ein Index für die Wichtigkeit eines Faktors als potentieller Mechanismus einer Klimaänderung. Er wird in Watt pro Quadratmeter (W/m²) ausgedrückt.

Bilanz des Strahlungsantriebs an der Obergrenze der Atmosphäre (TOA):

• Nahezu gleichmäßiger Äquator - Pol-Gradient: 100 W/m² - (-100) W/m²
• Atmosphäre erhält netto mehr Energie über den Ozeanen als über den Kontinenten
• Ausnahme: Sahara wirkt als Kältequelle für die Atmosphäre (wg. hoher Albedo und hoher Emission).

2. Der Strahlungsantrieb (engl. radiative forcing) ist die Veränderung in der vertikalen Nettoeinstrahlung (ausgedrückt in Watt pro Quadratmeter) an der Tropopause auf Grund einer internen Veränderung oder einer Veränderung im externen Antrieb des Klimasystems, wie z.B. eine Veränderung in der Konzentration von CO₂ oder der Sonnenstrahlung.

3. Natürliche Strahlungsantriebe werden etwa durch Änderungen der solaren Einstrahlung (der „Solarkonstante“) oder durch Vulkanausbrüche verursacht; denkbar wären auch Einschläge von Meteoriten. Daneben gibt es anthropogene Strahlungsantriebe, etwa durch die Änderung der Oberflächenalbedo, zum Beispiel durch Landnutzungsänderungen, und insbesondere durch Änderungen der Atmosphärenzusammensetzung. So ist die Änderung (in der Regel Zunahme) der Konzentration von Spurengasen in der Atmosphäre in Bezug auf die Strahlungsbilanz dann relevant, wenn diese Strahlung absorbieren. Aktuell ändern anthropogene Aktivitäten insbesondere die Konzentrationen von Kohlendioxid, Methan, Lachgas, halogenierten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden. Auch kann sich die Konzentration von Partikeln in der Atmosphäre ändern. Dies können Wolkenpartikel sein (im Fall von Kondensstreifen) und insbesondere Aerosolpartikel. Hier spielen Sulfate, organische Kohlenstoffpartikel, Ruß und Nitrate die Hauptrolle. (Quaas, promet 100, DWD 2018)

4. Im Kontext der IPCC-Berichte wird Strahlungsantrieb ferner definiert als die Veränderung im Vergleich zum Jahr 1750 und bezieht sich, sofern nicht anders angegeben, auf den globalen und jährlichen Durchschnittswert.

Strahlungsantriebs-Szenario

Eine plausible Darstellung der künftigen Entwicklung der Strahlungsantriebe, z.B. in Verbindung mit Veränderungen in der atmosphärischen Zusammensetzung oder der Landnutzung, oder mit externen Faktoren wie z.B. Variationen in der Sonnenaktivität. Szenarien zum Strah-lungsantrieb können als Input für vereinfachte Klimamodelle benutzt werden, um Klimaprojektionen zu berechnen.

Strahlungsbilanz

Syn. Strahlungshaushalt; Differenz zwischen den Strahlungsflüssen, die das System Erde-Atmosphäre in Form kurzwelliger Strahlung von der Sonne empfängt und die das System Erde-Atmosphäre in Form langwelliger Strahlung wieder in den Weltraum abstrahlt. Sind die beiden Anteile gleich groß, ist die Strahlungsbilanz null und der Strahlungshaushalt ausgeglichen. Die Bilanz kann auch für charakteristische Orte oder Regionen aufgemacht werden.

Unter den genannten Bedingungen befindet sich eine Atmosphärenschicht im Strahlungsgleichgewicht. Die Stratosphäre befindet sich global und zeitlich gemittelt im Strahlungsgleichgewicht, während die Troposphäre ein deutliches Defizit im Strahlungshaushalt aufweist. Der über ein Jahr gemittelte extraterrestrische Strahlungsfluß der Sonne auf eine senkrecht zur Verbindungslinie Erde-Sonne stehende Fläche, die sogenannte Solarkonstante, beträgt 1.368 W/m². Auf die gesamte Erdoberfläche bezogen ergibt sich eine mittlere Bestrahlungsstärke von einem Viertel des Wertes der Solarkonstanten, nämlich 342 W/m².

Sonnenstrahlung und irdische Strahlungsbilanz Zu Animation auf Grafik klicken Quelle: meted (Zugang über kostenfreie Registrierung)

Bedeutung der Strahlungsbilanz in der Meteorologie

Die Sonnenstrahlung ist kurzfristig gesehen - etwa über eine Dekade hinweg - ziemlich beständig. Aber im Laufe vieler Jahre kann sie sich verändern und das irdische Klima beeinflussen. Die Erdatmosphäre verschleiert unseren Blick auf dieses Phänomen, und so bekommen Satelliten oberhalb unserer Atmosphäre eine entscheidende Bedeutung bei der Beobachtung der Veränderungen.

Die Strahlungsbilanz, also die Summe der eine definierte Oberfläche eintreffenden und verlassenden Energieflüsse durch elektromagnetische Strahlung, ist eine wichtige Komponente der Energiebilanzen, die Austauschprozesse im Klimasystem antreiben. In der Meteorologie können die Bezugsflächen von der globalen Skala (zum Beispiel globale Jahresmittel am Oberrand der Atmosphäre in etwa 50 km Höhe) bis zur mikroskopischen Skala eines einzelnen Eiskristalls in einer Cirruswolke reichen. Sie setzen sich aus zwei Komponenten zusammen: der „kürzerwelligen“ solaren Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen etwa 0,3 und 4,0 μm sowie der „längerwelligen“ thermischen Eigenstrahlung zwischen etwa 3,0 und 40 μm.

Räumliche und auch zeitliche Differenzen zwischen Bilanz- oder Nettowerten können Antriebe für weitere Austauschprozesse sein (zum Beispiel turbulente Änderungen der Bezugsfläche), die ihrerseits die Strahlungsfelder modifizieren (zum Beispiel innerhalb Wolken). Die dabei erfolgenden Umsätze müssen möglichst genau bekannt sein und mit Berechnungen in Modellen des Klimasystems übereinstimmen.

Daraus ergeben sich je nach Skalenweite unterschiedlich hohe Anforderungen aus der meteorologisch orientierten Forschung und Praxis. Auch die regionale Wettervorhersage benötigt Angaben über die Strahlungsentwicklung in der Bezugsregion. (Raschke 2018)

Satellitenmessungen zur Strahlungsbilanz

Die ersten Messungen erfolgten von einem amerikanischen Satelliten der Explorer-Serie aus (1963). Dieser trug unter anderem einfache kugelförmige Sensoren, deren Messungen mit recht grober Auflösung eine Unterscheidung zwischen kalten und warmen Gebieten ermöglichten, wie sie durch unterschiedlich hohe Bewölkung eines Tiefdrucksystems erzeugt wurden. Die nachfolgende stürmische Entwicklung in der Sensorentechnologie sowie im Datentransfer zwischen dem Satelliten und den Empfangsstationen am Erdboden erhöhte zwangsläufig den Informationsgehalt solcher Daten und deren Wert für Forschungen und Anwendungen.

Seither ist die internationale Zusammenarbeit zu einer fruchtbaren Selbstverständlichkeit herangewachsen.

Beispielsweise wird die ESA-Mission EarthCARE (Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer) neben der Strahlungsbilanz gleichzeitig auch mit aktiver Fernerkundung atmosphärische Profile von Wolken und Aerosolen messen. Durch die Komplexität eines gemeinsamen Einsatzes von Radar und Lidar aus dem All hat sich das Projekt stark verzögert und wird erst 2023 abheben. An diesem Projekt sind mehrere europäische Länder, Kanada und Japan beteiligt. Wolken, Aerosole und deren Wechselwirkungen stellen in derzeitigen Modellen zur Klimaentwicklung eine bedeutende Unsicherheit dar. Ein genaues Erfassen von Wolkenprozessen ist auch wichtig für Verbesserungen der numerischen Wettervorhersage.

Satelliten sind ideal positioniert, um Änderungen beim Strahlungsfluss in das System Erde-Atmosphäre  zu beobachten. Teile der eintreffenden Sonnenenergie wird von Wolken, Aerosol und der Erde selbst reflektiert. Der Rest wird absorbiert und wieder emittiert von Land- und Wasserflächen, von Wolken und weiteren Bestandteilen der Atmosphäre. Der Planet erwärmt sich als Ganzes, wenn die globale Strahlungsbilanz positiv ist, und er kühlt sich ab, wenn sie negativ ist.

Satelliten können den Strahlungshaushalt besonders gut an der Obergrenze der Atmosphäre messen und ihn dort langfristig überwachen, was entscheidend ist, um Klimatrends aufzuspüren. Die aktuelle Herausforderung besteht im Versuch, die Reaktionen von Atmosphäre, Land und Ozeanen auf Netto-Zuwächse oder Netto-Abnahmen des gesamten irdischen Strahlungshaushaltes zu quantifizieren. Dafür müssen bestehende Beobachtungssysteme weiter verbessert und ausgebaut werden.

Sonnenstrahlung und irdische Strahlungsbilanz Quelle: meted (Zugang über kostenfreie Registrierung)

Angaben über die Strahlungsflüsse sind auch nach dem Einsatz von Satellitenmissionen noch immer mit Unsicherheiten behaftet, da die Bestimmung globaler Mittelwerte mit einer Reihe von Schwierigkeiten verknüpft ist.

Weitere Informationen:

• The Importance of Understanding Clouds (NASA Facts)
• The Balance of Power in the Earth-Sun System (NASA Facts)
• Earth Radiation Budget Radiometers (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Strahlungsbilanzen (promet Heft 100, DWD)

Strahlungsenergie

Engl. radiant energy, franz. énergie rayonnante, nach DIN 18716 die "ausgesandte, übertragene oder aufgefangene Strahlungsenergie".

Strahlungsfluss Φ

Engl. radiant flux,franz. puissance rayonnante; der Strahlungsfluss Φ ist die Strahlungsmenge, die in der Zeiteinheit durch eine Fläche hindurchtritt.

DIN 18716 formuliert: "Quotient aus Strahlungsenergie und Zeit".

Strahlungsflussdichte F

Engl. radiant flux density, flux; der Strahlungsfluss pro Einheitsfläche in [W m^-2].

DIN 18716 formuliert: "Quotient aus der durch eine Fläche hindurchtretenden Strahlungsleistung und dieser Fläche".

Strahlungshaushalt

Siehe Strahlungsbilanz

Strahlungsintensität I

Engl. radiant intensity; Strahlungsenergie Q welche pro Zeiteinheit t und Raumwinkel ω emittiert, transportiert oder empfangen wird, demnach der "Strahlungsfluss" aus genau definierter Richtung.

Strahlungsmenge

Engl. radiant energy; die Strahlungsmenge Q ist die Gesamtenergie einer Strahlung.

Strahlungsmessgeräte

Hier verstanden als Messgeräte für den optischen, teilweise auch nur für den mit dem Auge sichtbaren Teil der Strahlung verstandene Strahlungsempfänger. Strahlungsmessgeräte bewerten teils strahlungsphysikalische Größen wie die Strahlungsstärke, teils photometrische Größen wie die Lichtstärke. Sie können eine der Strahlung proportionale Spannung liefern wie z.B. Thermoelemente, Photowiderstandszellen und Photodioden oder die Strahlungsbewertung mit dem Auge ausnutzen wie visuelle Photometer. In Photometern wird das Messgerät Auge immer häufiger durch Photodioden o.ä. ersetzt. Das Pyrgeometer ist ein anderes vergleichendes Strahlungsmessgerät, das die Ausstrahlung der Erde misst.

Strahlungstemperatur

Engl. radiant temperature, franz. température de rayonnement; ohne Korrektur, durch FE-Messung der emittierten Strahlung eines Graukörpers (Emissionsgrad 1) abgeleitete scheinbare Temperatur.

Streakkamera

Spezielle Kamera mit der zeitlich sehr kurz aufeinander folgende Lichtimpulse erfaßt werden können. Die Lichtimpulse werden auf einen sehr schnell sich bewegenden, elektronischen Bildträger abgebildet. Der zeitliche Abstand wird dadurch in einen räumlichen Abstand transformiert. Mit einer Streakkamera können die zeitlichen Abstände Pikosekunden genau ermittelt werden. Streakkameras werden eingesetzt, um simultan Laserentfernungsmessungen zu Satelliten auf zwei Wellenlängen auszuführen. Durch die Dispersion der Atmosphäre ist die Lichtausbreitung von der Wellenlänge abhängig. In der Wellenlänge unterschiedliche Laserpulse weisen bei gleicher Entfernung geringfügig unterschiedliche Laufzeiten auf. Die Laufzeitdifferenz wird mit Streakkameras gemessen, sie wird genutzt, um den Einfluß der troposphärische Refraktion zu bestimmen.

Streukoeffizient

Syn. Streuungskoeffizient; Maß für die Schwächung von elektromagnetischer Strahlung beim Durchgang durch ein Medium infolge Streuung. Streukoeffizient plus Absorptionskoeffizient ergibt den Extinktionskoeffizienten, der in das Extinktionsgesetz eingeht.

Streuung

Engl. scattering, franz. diffusion des ondes; in der Atmosphäre ein Vorgang, bei dem Teile der elektromagnetischen Strahlung durch kleine Materieteilchen (Aerosol) nach allen Richtungen hin abgelenkt oder teilweise aufgesplittert werden. Die Energieform wird dabei nicht verändert. Wie die Absorption führt die Streuung zu einer Schwächung der die Atmosphäre durchlaufenden Strahlung, insofern besitzt sie auch für die Fernerkundung und die Klimatologie Bedeutung.

Beim Durchgang durch die Atmosphäre verringert sich die direkte Sonnenstrahlung, so dass am Boden nur noch ein Teil der Strahlung ankommt. Dabei ist die Durchlässigkeit der Atmosphäre für die elektromagnetische Strahlung stark vom Zustand der Atmosphäre (Aerosolgehalt, Feuchtegehalt, Schichtung, Witterung), vom zurückgelegten Weg der Strahlung durch die Atmosphäre und von der Wellenlänge der Strahlung abhängig. Die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der in der Atmosphäre vorkommenden Gase sind für ein komplexes Zusammenspiel von Streuung und Absorption verantwortlich.

Die Absorptions- und Streuungsvorgänge werden mit dem Begriff Extinktion zusammengefasst. Die Absorption ist auf die speziellen Absorptionseigenschaften der Gase, Aerosolteilchen und Wolkentropfen, die Streuung ist auf Wechselwirkungen zwischen Wellenlänge und den Teilchengrößen von Aerosolen und Luftmolekülen zurückzuführen. Die Durchlässigkeit der Atmosphäre hat unmittelbaren Einfluss auf die Fernerkundung. Die Absorptionsbanden des Wasserdampfes bewirken z.B., dass diese Bereiche für die optische Fernerkundung der Erdoberfläche nicht genutzt werden können. Dagegen gibt es Bereiche im elektromagnetischen Spektrum, für die die Atmosphäre nahezu durchsichtig ist, es sind die sogenannten atmosphärische Fenster.

Allerdings unterliegt die diese atmosphärischen Fenster passierende Strahlung komplexen Streuungsvorgängen, die sich wiederum wellenlängenspezifisch auswirken. So wird z.B. ein großer Teil der Strahlung des blauen Spektralbereiches bereits in der Atmosphäre an den Luftmolekülen gestreut (sog. Rayleigh-Streuung) und zum Satellitensensor zurückgestrahlt. Dieser Teil überlagert dort als „Luftlicht“ (engl. path radiance) das Bodensignal und führt zu Kontrastminderungen. Deshalb wird dieser Bereich oft aus Untersuchungen herausgelassen oder erst gar nicht aufgezeichnet. So verzichtet z.B. der ASTER-Sensor auf der Terra-Satellitenplattform der NASA auf eine Aufnahme dieses Wellenlängenbereiches.

Die Streuung bildet auch einen Bestandteil des spektralen Extinktionskoeffizienten. In der Atmosphäre erfolgt sowohl bei Teilen der Ein- als auch der Ausstrahlung eine Veränderung der ursprünglichen Strahlungsrichtung an den Luftbestandteilen (Gase, Aerosole usw.). Zu unterscheiden sind zunächst die beiden selektiven Streuungsvorgänge:

1. Rayleigh-Streuung: Sie betrifft besonders Strahlung mit kurzen Wellenlängen (UV, blaues Licht) und sie erfolgt an Molekülen mit einem Radius kleiner als die Wellenlänge der Strahlung. Dabei handelt es sich u.a. um Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid.
2. Mie-Streuung: Sie beeinflusst vor allem den sichtbaren Spektralbereich und wird von größeren Wassermolekülen und Aerosolpartikeln mit einem Radius, der der Größenordnung der jeweiligen Wellenlänge entspricht, verursacht.

Nicht-selektive Streuungsvorgänge werden dagegen hervorgerufen durch Luftbestandteile mit einem Durchmesser, der die jeweiligen Wellenlängen erheblich überschreitet. Typische Partikel, die für diesen Effekt verantwortlich sind, sind Wassertröpfchen und größere Staubpartikel. Durch sie werden alle Wellenlängen gleichmäßig gestreut, was z.B. Wolken weiß erscheinen lässt (eine Mischung aus allen Farben des Lichts in etwa dem gleichen Mengenverhältnis ergibt weißes Licht.

Eine Wolke besteht aus Wassertröpfchen, und da diese das Licht aller Wellenlängen gleichmäßig streuen, erscheint eine Wolke weiß. Ein 'Fernerkundungssensor', wie unser Auge, kann nicht durch Wolken "hindurchsehen". Darüber hinaus haben Wolken eine weitere einschränkende Wirkung auf die optische Fernerkundung: Wolken werfen Schatten.

Arten der atmosphärischen Streuung Die Art der Streuung ist eine Funktion von: der Wellenlänge der einfallenden Strahlungsenergie und der Größe des getroffenen Gasmoleküls, Staubpartikels und / oder des Wassertröpfchens Streuung kann den Informationsgehalt von Fernerkundungsdaten stark reduzieren, im Extrem so weit, dass das gewonnene Bild kontrastarm wird und ein Objekt nicht mehr von einem anderen unterscheidbar ist. Quelle: verändert nach Jensen 2007

Subtraktive Farbmischung

Engl. subtractive colour process, franz. synthèse soustractive des couleurs; das subtraktive Farbprinzip basiert auf den drei Druckfarben: Cyan, Magenta und Gelb (Yellow). Es ist eine entfernende (filternde) Farbmischung, wodurch die verbleibende Reststrahlung durch Überlagerung verschiedener Farbschichten erzielt wird. Die subtraktive Farbmischung wird, im Gegensatz zur additiven, die ihre Verwendung in der Anzeige der Monitorbilder findet, im Druck und auch in der Farbphotographie verwendet. In einer Farbpatrone (z.B. eines Standard-Tintenstrahl-Druckers) finden sich die Primärfarben Cyan (türkisartig), Magenta (pinkähnlich) und Gelb, mit denen die jeweiligen zu druckenden Farben gemischt werden können. Auch hier wird mit dem Einsatz keiner, einer, mehrerer oder aller Primärfarben die jeweilige Farbmischung erreicht. Dabei werden die Farben vom Drucker übereinander gedruckt, wodurch die oberen Farbschichten eine Filterwirkung für die unteren Schichten haben und somit für die Gesamtstrahlungssumme subtrahierend wirken. Häufig wird allerdings aus Gründen der Kostenersparnis und aufgrund der Tatsache, dass ein reines schwarz durch die Kombination aller drei Primärfarben nicht erreicht wird, auch eine zusätzliche schwarze Grundfarbe eingesetzt.

Vergleich subtraktive und additive Farbmischung I In der subtraktiven Farbmischung werden die CMY-Farben Cyan (C), Magenta (M) und Yellow (Y) gemischt. In der Praxis verwendet man das CMYK-Modell. Das K steht für black. Ein reiner CMY-Druck hätte in der Praxis des Druckens kein richtig tiefes Schwarz, deshalb wird es zugesetzt. In der additiven Farbmischung wird Licht gemischt. Rotes Licht und grünes Licht ergeben gelbes Licht, der Fernseher liefert uns den Beweis. In der subtraktiven Farbmischung werden Stoffe gemischt. Gelbe Farbpaste und cyanfarbene Farbpaste ergeben als Mischung grüne Farbpaste. Quelle: metacolor

Vergleich subtraktive und additive Farbmischung II In der additiven Farbmischung werden die RGB-Farben Rot (R), Grün (G), und Blau (B) gemischt. In der additiven Farbmischung wird Licht gemischt. Rotes Licht und grünes Licht ergeben gelbes Licht, der Fernseher liefert uns den Beweis. In der subtraktiven Farbmischung werden Stoffe gemischt. Gelbe Farbpaste und cyanfarbene Farbpaste ergeben als Mischung grüne Farbpaste. Quelle: metacolor

sunglint

Engl. Begriff (am ehesten mit Sonnenreflex, Sonnenspiegelung oder mit spiegelnde Reflexion des Wassers ins Deutsche zu übertragen) für ein Phänomen, das auftritt, wenn die Sonnenstrahlen von der Meeresoberfläche im gleichen Winkel reflektiert werden, mit dem ein Satellitensensor oder ein Astronaut in der ISS die Oberfläche beobachtet. Im betroffenen Gebiet des Bildes unten wird glattes Meerwasser zu einem silbernen Spiegel, wohingegen rauere Wasserflächen dunkel erscheinen.

Zum Einen kann Sunglint erstaunliche Bildwirkungen erzeugen, zum Anderen kann das Phänomen den mit Fernerkundung arbeitenden Wissenschaftlern Probleme bereiten, da es Bildinhalte verdeckt, die normalerweise sichtbar sind. Dies triftt insbesondere für Ozeanographen zu, die Satelliten zur Untersuchung von Phytoplankton und Ozeanfarbe einsetzen. In der Folge haben Wissenschaftler verschiedene Verfahren zur Bildkorrektur entwickelt.

Beispiel: Nordaustralien

Gelegentlich enthüllt eine Bildpartie mit Sunglint interessante ozeanische oder atmosphärische Erscheinungen, die der Sensor typischerweise nicht aufzeichnet.

Dieses Bild zeigt ein großes überlappendes Wellenmuster in dem von Sunglint betroffenen Gebiet Indonesiens und Australiens. Das Wellenmuster rührt aber nicht von großen Meereswellen her. Es sind vielmehr atmosphärische Schwerewellen über der Meeresoberfläche. Wie man dem Namen entnehmen kann, bilden sich atmosphärische Schwerewellen, wenn Auftrieb die Luft zum Aufsteigen bringt und die Schwerkraft sie dann wieder sinken lässt.

Bei ihrem Abstieg zum Wellental (Trog) berührt die Luft die Meeresoberfläche und raut dabei das Wasser auf. Die langen, vertikalen dunklen Linien zeigen an, wo die Täler der Schwerewellen die Oberfläche aufgeraut haben. Die helleren Partien zeigen die Wellenkämme. Unter den Wellenkämmen ist das Wasser ruhig und reflektiert das Licht direkt zum Sensor. Gewöhnlich bilden sich Wolken an den Wellenkämmen, sie sind in der Bildszene gut zu sehen.

Sunglint vor Südindonesien und Nordaustralien Quelle: Wikipedia / NASA

Neben den Herausforderungen, vor die Sunglint die Wissenschaftler stellt, bietet das Phänomen auch einige einzigartige wissenschaftliche Möglichkeiten. Zum Beispiel macht Sunglint es leichter, Öl auf der Wasseroberfläche aufzuspüren, ob es sich nun um natürliche Erdölaustritte handelt oder um vom Menschen verursachte Ölverschmutzungen. Der Grund ist der, dass Öl die Wellenbildung unterdrückt oder stark dämpft. Somit wird wiederum weniger Sonnenlicht auf der Wasseroberfläche gestreut und das Licht gelangt gebündelt zum Satelliten. Ölflächen erscheinen daher heller.

Auch unterschiedliche regionale Windverhältnisse lassen sich mit Hilfe von Sunglinteffekten und der unterschiedlichen Färbung von Wasserflächen ausmachen. Beispielsweise kann man detailliert die diversen Windeffekte durch eine Insel (Bsp. Kreta) ausmachen. Wind, der durch die komplexe Orographie einer Insel lokal beschleunigt, abgebremst oder umgelenkt wird, verursacht auch eine sehr inhomogene Wellenbildung. Entsprechend sorgt auch eine variable Streuung für detaillierte Einblicke, wo es fast windstill ist und wo der Wind ruppig weht.

Weitere Informationen:

• The Science of Sunglint (NASA Earth Observatory)
• Gravity Waves and Sunglint, Lake Superior (NASA)
• Images that show sunglint (Wikipedia)
• NASA's Aqua Satellite Sees Gulf Oil Slick in Sunglint (NASA)
• The Subtleties of Sunglint (NASA Earth Observatory 2023)

SUOMI NPP

Der Wettersatellit Suomi National Polar-orbiting Partnership or Suomi NPP, früher bekannt unter der Bezeichnung National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project (NPP) and NPP-Bridge wird von der NOAA (United States National Oceanic and Atmospheric Administration) betrieben, ist aber im Besitz der NASA. Ursprünglich sollte er als Pfadfindermission für das NPOESS-Programm dienen, welches die Polar Operational Environmental Satellites der NOAA und das Defense Meteorological Satellite Program der US Air Force ersetzen sollte. Nach der Streichung des NPOESS-Programms wurde Suomi als Lückenfüller zwischen den POES-Satelliten und dem Joint Polar Satellite System (JPSS) im Oktober 2011 von Vandenberg aus gestartet. Mit einer United Launch Alliance Delta II 7920-10C-Rakete wurde er auf eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 824 km Höhe gebracht.

Seine Instrumente setzen Klimamessungen fort, die zuvor schon vom Earth Observing System der NASA bereitgestellt wurden. Der Satellit ist nach Verner E. Suomi benannt, einem Meteorologen der University of Wisconsin–Madison.

Erste Datenprodukte

Die folgenden zwei Bilder sind Kompositdarstellungen der Konzentration von ozeanischem Chlorophyll für die jeweiligen Sommer der beiden Halbkugeln. Sie sind hergestellt aus Radiometerdaten im sichtbaren Bereich, die vom Instrument VIIRS aufgenommen wurden.

Diese Falschfarben-Darstellungen verstärken die Aussagekraft der Daten. Die purpurnen und blauen Farben stehen für niedrigere Chlorphyll-Konzentrationen. Orange und rot repräsentieren höhere Konzentrationen. Diese Farbunterschiede heben Gebiete mit geringerer bzw. größerer Phytoplankton-Biomasse hervor.

Storms, Ozone, Vegetation and More: NASA-NOAA Suomi NPP Satellite Returns First Year of Data Größere Ansicht der Nordhemisphäre - Größere Ansicht der Südhemisphäre Quelle: NASA

Der dreiachsenstabilisierte Satellit basiert auf dem Satellitenbus BCP 2000 für Erdbeobachtungssatelliten von Ball Aerospace. Er ist mit einem internem MIL-STD-1553- und IEEE-1394-(FireWire)-Netzwerk und fünf Instrumenten ausgestattet, die von früheren Wetter- und Umweltsatelliten wie etwa Terra, Aqua, POES oder den militärischen DMSP-Wettersatelliten stammen. Dies sind:

• Visible/Infrared Imager Radiometer Suite (VIIRS) – ein im sichtbaren und infraroten Bereich arbeitendes 22-Kanal-Radiometer, das Bilder der Erde liefert
• Cross-track Infrared Sounder (CrIS) – ein Michelson-Interferometer zur Messung der Temperatur und Feuchtigkeitskonzentration der Erdatmosphäre
• Advanced Technology Microwave Sounder (ATMS) – ein im Mikrowellenbereich arbeitendes passives 22-Kanal-Radiometer zur Messung von Temperatur und Feuchtigkeitsprofilen der Erdatmosphäre
• Ozone Mapping and Profiler Suite (OMPS) – ein Messgerät zur Bestimmung der Ozonkonzentration
• Clouds and Earth Radiant Energy System (CERES) – ein Dreikanal-Radiometer zur Bestimmung des Albedos und des Gesamtenergiehaushaltes der Erde

Die Nachtseite der Erde funkelt mit Lichtern. Das erste, was heraussticht, sind die von Städten. „Nichts erzählt uns mehr über die Verbreitung von Menschen auf der Erde, als Lichter von Städten“, erklärt Chris Elvidge, ein NOAA-Wissenschaftler. Aber auch entfernt von menschlichen Siedlungen leuchtet Licht. Buschfeuer und Vulkane wüten. Öl- und Gasquellen brennen wie Kerzen. Polarlichter tanzen im Himmel der Polarregionen. Mond- und Sternenlicht werden im Wasser, Schnee, an Wolken und von Wüsten reflektiert. Sogar die Luft und der Ozean glühen gelegentlich.

Beispiel: Out of the Blue and Into the Black - New Views of the Earth at Night

Eine Handvoll Wissenschaftler hat über die vergangenen vier Dekaden hinweg irdische Nachtlichter mit Militärsatelliten und Astronautenphotographie beobachtet. Aber im Jahr 2012 wurde der Blick signifikant klarer. Der Satellit Suomi National Polar-orbiting Partnership trägt einen Schwachlichtsensor an Bord, der Nachtlichter mit einer sechsmal besseren räumlichen Auflösung unterscheiden kann und eine 250mal bessere Auflösung der Beleuchtungsstufen (dynamic range) besitzt, als frühere Instrumente. Da Suomi NPP ein ziviler Satellit ist, sind die Daten für Wissenschaftler innerhalb von Minuten bis Stunden nach der Aufnahme verfügbar.

Der VIIRS-Sensor kann schwaches Licht bis hinunter zur geringen Stärke einer isolierten Straßenleuchte oder der Beleuchtung eines Fischerbootes beobachten. Er kann sogar schwaches Nachthimmelsleuchten (‚airglow‘) ausmachen und Wolken beobachten, die von diesem Licht beleuchtet werden. Durch den Einsatz seines ‚Tag-Nacht-Bandes‘ kann VIIRS die ersten quantitativen Messungen von Lichtemissionen und Reflexionen vornehmen und dabei die Intensität und die Quellen des Nachtlichtes unterscheiden. Die Gesamtheit dieser Messungen gibt uns einen globalen Überblick über den menschlichen Fußabdruck auf der Erde.

Das Nachtbild von Europa, Afrika und dem Mittleren Osten ist ein Komposit, das aus Daten erstellt wurde, aufgenommen von Suomi NPP im April und Oktober 2012. Diese Daten wurden zudem über bereits vorhandene Blue Marble-Bilder gelegt, um der Ansicht einen realistischeren Eindruck zu geben.

Out of the Blue and Into the Black - New Views of the Earth at Night Quellen: NASA

Weitere Informationen:

• SUOMI NPP - Startseite (NASA)
• NPP Blue Marble (NASA)
• SUOMI NPP Profil (CEOS EO Handbook)
• Suomi NPP (National Polar-orbiting Partnership) Mission (eoPortal Directory)

Swarm

Engl. für Schwarm; am 22. November 2013 von Plesetsk aus an Bord eines Rockot-Launchers gestartete Mission der ESA zur bislang genauesten Vermessung des Erdmagnetfeldes und seiner Entwicklung als Teil des Programms Earth Explorer Mission. Die Erkenntnisse sollen auch unser Verständnis des Erdinnern und des Klimas verbessern.

Bei der Mission arbeiten drei identische Satelliten mit einer Masse von je 500 kg zusammen. Gemeinsam sollen sie die Stärke, Orientierung und die zeitliche Veränderung des Erdmagnetfeldes messen. Daraus erhofft man Prognosen über die Langzeitentwicklung des Magnetfeldes ableiten zu können. Das Projekt wird damit das erfolgreiche CHAMP-Projekt fortsetzen.

Die SWARM-Konstellation

Für ihre Mission fliegen die drei Satelliten in optimierter Formation auf polaren Umlaufbahnen in Höhen zwischen 450 und 550 km: zwei Satelliten (SWARM-A, SWARM-B) fliegen in 450 Kilometern Höhe mit 150 Kilometern Abstand nebeneinander her, der dritte (SWARM-C) steigt auf 530 Kilometer Höhe in eine höhere Umlaufbahn. Der Grund für diesen komplizierten Formationsflug liegt im Erdmagnetfeld selbst. Dieses wird erzeugt durch die Strömung elektrisch leitenden, flüssigen Eisens im äußeren Erdkern, 2900 km unter der Erdoberfläche. Es wird beeinflusst durch die Leitfähigkeit und die Dynamik des darüber liegenden Erdmantels (bis rund 40 km unter der Erdoberfläche).

Schließlich tragen noch die magnetisierten Gesteine der Erdkruste zum Erdmagnetfeld bei. Hinzu kommt, dass auch die Sonne und Ströme im erdnahen Weltraum von außen das Erdmagnetfeld beeinflussen. Will man diese einzelnen Bestandteile untersuchen, muss man dafür das vom Satelliten gemessene Gesamtsignal des Magnetfeldes in die einzelnen Bestandteile auftrennen. Das tiefer fliegende SWARM-Paar kann durch seinen Abstand von 150 km mit einem Stereo-Blick auf das Magnetfeld der Erdkruste "schauen". So kann man diesen Bestandteil mit sehr hoher Genauigkeit analysieren. Der dritte, obere SWARM-Satellit kann wiederum die nach oben hin abnehmende Stärke des Magnetfeldes genauer bestimmen, zudem fliegt dieser Satellit in einem über die Zeit immer stärker zunehmenden Winkel zur Bahn des unteren Paars. Die Gesamtmessung wird ein Bild des Erdmagnetfeldes in einer bisher noch nie erreichten Präzision ergeben.

Das Magnetfeld der Erde übt einen bestimmenden Einfluss auf unsere elektrodynamische Umgebung, die thermosphärische Dynamik und möglicherweise auf die Entwicklung der unteren Atmosphäre aus. Ein weiteres Forschungsziel von Swarm ist die Untersuchung des Einflusses der Sonne auf die Erde. Konkret praktischer Nutzen der Swarm-Mission besteht in der Vorhersage von Strahlungsausbrüchen der Sonne oder auch entfernterer Sterne, mit deren Hilfe Störungen auf der Erde, beispielsweise der Energieversorgung oder der Telekommunikation, eingegrenzt oder gar vermieden werden können. Weiterer praktischer Nutzen der Swarm-Mission besteht in Beiträgen zur Verbesserung von Navigationssystemen, einschließlich jener, die auf Satelliten installiert sind, ferner in Fortschritten bei der Erdbebenvorhersage durch das Aufspüren von tektonischen Störungen, sowie in der Erkundung der Lithosphäre und damit in der verbesserten Suche nach mineralischen Rohstoffen.

Jüngste Forschungsarbeiten, die Daten von Swarm nutzen, tragen auch dazu bei, das Verständnis der Wissenschaftler für eine große Region mit abgeschwächtem Magnetfeld zu verbessern, die als "Südatlantische Anomalie" bekannt ist. Die globalen Karten des Magnetfelds von Swarm tragen zur Erforschung der Bewegung des Eisens im Erdkern bei und helfen zu erklären, warum der magnetische Nordpol immer weiter in Richtung Sibirien driftet.

Die Satelliten wurden von einem deutsch-englischen Team von EADS Astrium (heute Airbus D&S) in Immenstaad (Bodensee) gefertigt. Die Komponenten lieferten Unternehmen in Europa. Die Kosten für den Bau der Satelliten betrugen etwa 86 Millionen Euro, die Gesamtkosten der Mission ca. 200 Mio €. Die Mission ist Mitte 2022 noch aktiv.

Die baugleichen Satelliten tragen folgende Nutzlast:

• das Vector Field Magnetometer (VFM), das wissenschaftliche Hauptinstrument der SWARM-Mission. Es soll die vektoriellen Komponenten des Erdmagnetfeldes mit höherer Genauigkeit vermessen als dies mit früheren Missionen wie CHAMP und SAC-C möglich war;
• das Absolute Scalar Magnetometer (ASC), dieses dient primär der Kalibrierung des VFM;
• das Electric Field Instrument (EFI), ausgerüstet mit Sensoren für die Messung von Ionen-Eintrittswinkel und -Geschwindigkeit;
• das Accelerometer (ACC), zum Bestimmen der Beschleunigung des Satelliten, welche nicht durch Gravitation verursacht wurde, wie zum Beispiel Luftwiderstand und Sonnenwind und
• der Laser Range Reflector (LRR), dieser reflektiert Laserstrahlen von einer Messstation auf der Erdoberfläche und erlaubt eine genaue Abstandsmessung;
• das Star Tracker System (STR), dieses liefert höchst-präzise Lagedaten der Satelliten und
• der GNSS Receiver (GPSR), dieser liefert unabhängige Echtzeitinformationen zur Position und Zeit der Satelliten.

Über eine internationale Kooperation wird die Swarm-Konstellation 2018 durch den kanadischen Hybrid-SatellitenCASSIOPE, der sich ebenfalls seit 2013 im All befindet, ergänzt. Mit seinem Instrumentenset ePOP (enhanced Polar Outflow Probe) beobachtet er die Ionosphäre. Untersucht werden die Auswirkungen von Sonnenstürmen und deren schädliche Auswirkungen auf den Funkverkehr, die Satellitennavigation und andere weltraum- und bodengestützte Technologien.

Weitere Informationen:

• Swarm - Mission Report (ESA)
• SWARM (ESA earth online)
• Blick in das Erdinnere (ESA)
• Swarm - ESA's magnetic field mission (ESA)
• SWARM Profil (CEOS EO Handbook)
• Deutsches Swarm-Projektbüro (GFZ / DLR)
• Häufig gestellte Fragen zum Thema Erdmagnetismus (GFZ)
• Geomagnetismus und Partikelstrahlung (GFZ)
• SWARM (Flyer, EADS astrium)
• Swarm - ESA' Magnetic Field Mission (ESA)
• Das Magnetfeld der Erde (Beil, Uwe / von Dobeneck, Tilo)
• Swarm data products (ESA)

swath

Engl. für Schwaden, hier streifenförmige Bodenspur; die Fläche, die von einem Satelliten bei der Erdumkreisung beobachtet wird.

Die folgende Grafik zeigt die Bahn des Satelliten Aqua und die Bodenspur seines Instruments MODIS für die Zeit von einem Tag (27. 8. 2005). Die Bodenspur der Datenaufnahme von MODIS ist 2.300 km breit. Dies bedeutet, dass MODIS jeden Tag fast die gesamte Erde abdecken kann. MODIS nimmt nur Daten auf, wenn er auf der sonnenbeschienenen Seite der Erde ist, da er das reflektierte Licht von der Sonne misst.

Das helle Band, das in der Mitte mancher Schwaden erscheint, ist vom Ozean reflektiertes Sonnenlicht. Am 27. August 2005 hatte der Hurrikan Katrina Florida überquert und verstärkte sich im Golf von Mexiko. Dieser Hurrikan, ebenso wie der Taifun Talim im westlichen Pazifik zwischen Japan und Neuguinea ist in diesem Datensatz sichtbar, downloadbar über FTP Link.

Bodenspur des MODIS-Instruments auf Aqua Zur Animation auf Grafik klicken Quelle: NOAA

Weitere Informationen:

• Satellite Characteristics: Orbits and Swaths (NRCAN)

swing-by

Syn. slingshot oder fly-by; Methode der interplanetaren Raumfahrt, bei der eine Raumsonde dicht an einem Planeten vorbeifliegt. Durch die Gravitation des Planeten wird die Flugbahn der Raumsonde sowohl in der Richtung als auch in der Geschwindigkeit verändert.

Die Geschwindigkeitsänderung kann dazu verwendet werden, um die Sonde abzubremsen (für Missionen in das innere Sonnensystem) oder zu beschleunigen (für Missionen in das äußere Sonnensystem oder darüber hinaus). Die Richtungsänderung kann dazu verwendet werden, um die Ebene der Ekliptik zu verlassen, und Sonden in eine polare Umlaufbahn um die Sonne zu lenken. Auf diese Weise können Raumsonden Flugbahnen verwenden, die sonst nicht oder nur mit erheblich größerem Energieaufwand möglich wären.

Wird die Sonde nahe genug an einen Planeten geführt, dann wird sie von dessen Gravitationsfeld eingefangen und umgelenkt. Dadurch, dass sich der Planet aber selber um die Sonne bewegt, gewinnt sie an Geschwindigkeit hinzu. Der Effekt ist vergleichbar mit dem beim Wurf eines Hammerwerfers, der von einem fahrenden Auto aus wirft.

Das erste Swing-by-Manöver wurde 1973 von der Raumsonde Mariner 10 durchgeführt, die nach dem Vorbeiflug an der Venus genügend abgebremst wurde, um die Bahn des Merkur zu erreichen. Heute nutzen nahezu alle interplanetaren Raumsonden diese Technik. Swing-bys, werden genutzt, um die Flugzeiten von Sonden zu verkürzen. Voyager 1 und 2 wurden z.B. durch ein Swing-by am Saturn um rund 18 km/s beschleunigt und erreichten dadurch die 3. kosmische Geschwindigkeit. Ohne Swing-by hätte Voyager 2 mehr als doppelt so lange gebraucht, um den Neptun zu erreichen. Durch die Swing-by-Technik entstehen teilweise große Umwege.

So wurde zum Beispiel die Sonde Cassini-Huygens auf dem Weg zum Saturn zuerst von der Venus auf die nötige Geschwindigkeit gebracht. Nach dem Start auf der Erde flog die ESA/NASA-Raumsonde Cassini-Huygens zweimal an der Venus und einmal an der Erde vorbei sowie einmal am Jupiter, bis sie durch diese Swing-by-Manöver genug kinetische Energie hat, ihr Ziel, den Saturn zu erreichen. (vgl. Abb.)

Die interplanetarische Flugbahn von Cassini-Huygens Quelle: Wikipedia

Weitere Informationen:

• Swing-by-Manöver - Was steckt dahinter (Donald Wiss, SUW)

SWIR

Engl. Akronym für Shortwave Infra-Red, dt. kurzwelliges Infrarot, Bezeichnung für den nicht sichtbaren Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen ~1,3 µm und ~3,0 µm (Angaben variieren). Damit grenzt es unmittelbar an das nahe Infrarot (NIR).

SWOT

Engl. Akronym für Surface Water and Ocean Topography; Satellitenmission von NASA und CNES, sowie der Canadian Space Agency (CSA) und der  UK Space Agency (UKSA) als Partner, zur erstmaligen globalen Vermessung der Oberflächen von Gewässern auf Land (Seen und Flüsse) und der Abflussmengen von Flüssen sowie der Topographie der Ozeane und ihrer submesoskaligen Zirkulation. Der Start des Satelliten erfolgte am 16.12.2022 mit eine SpaceX Falcon 9-Startrakete von Vandenberg Space Force Base in Kalifornien aus, die Missionsdauer ist auf mindestens 3 Jahre ausgelegt.

Von der Mission werden Hydrologen und Ozeanographen gleichermaßen profitieren. Im Bereich der Hydrologie soll ein globales Inventar aller terrestrischen Wasserkörper erstellt werden, deren Oberfläche größer ist als 250 m × 250 m (Seen, Speicherseen, Feuchtgebiete) sowie von Flüssen, die eine Mindestbreite von 100 m besitzen. Dabei sollen globale die Veränderungen der Wasserspeicherung in Süßwasserkörpern auf unterschiedlichen Zeitskalen gemessen werden (sub-monatlich, saisonal, jährlich). Gleiches gilt für Schätzungen der Veränderungen der Abbflussmengen von Flüssen. Auf den Meeren werden die mesoskaligen und submesoskaligen Strömungsverhältnisse mit einer räumlichen Auflösung von 15 km und größer bestimmt.

Von der Mission erhoffen sich die beteiligten Wissenschaftler aus mehreren Nationen auch ein besseres Verständnis der Hydrodynamik von Hochwasser, da dieses laut der internationalen Desaster-Datenbank „EM-DAT“ zu den am häufigsten auftretenden Naturkatastrophen der Welt zählt. So können auf Grundlage der ermittelten Daten bessere Frühwarnsysteme entwickelt werden, die Eigentümer von Industrie- und Gewerbeimmobilien dabei helfen, Hochwassergefahren besser bewerten und gezieltere Maßnahmen zur Schadensprävention ergreifen zu können.

Das Hauptinstrument auf SWOT ist ein neuartiges Ka-Band Radarinterferometer (KaRin). Der Satellit wird zwei Radarantennen an beiden Enden eines 10 m langen Mastes mitführen, womit er die Höhenunterschiede an der Wasseroberfläche entlang einer 120 km breiten Bodenspur messen kann. Das Instrument KaRin wird von den folgenden Instrumenten unterstützt:

• ein Nadir-Altimeter mit zwei Frequenzen (C- und Ku-Band), ähnlich dem Poseidon-Altimeter, das auf der Jason-Serie eingesetzt wird
• ein Mikrowellen-Radiometer mit drei Frequenzen, ähnlich dem AMR (Advanced Microwave Radiometer), das auf der Jason-Serie eingesetzt wird
• ein DORIS-Empfänger, ein GPS-Empfänger und ein LRA (Laser Retroreflector Array) für die genaue Orbitbestimmung (POD, Precise Orbit Determination).

SWOT - Missionsarchitektur Das Ka-Band-Radar-Interferometer (KaRIn) von SWOT wird die Topographie der Ozeane und Binnengewässer bestimmen. Zwischen zwei Beobachtungsstreifen (swaths) wird ein Nadir-Altimeter der Jason-Klasse eingesetzt. Das interferometrische System KaRIn mit zwei 50-Kilometer-Streifen wird Wasserhöhen und mitregistrierte Allwetterbilder erzeugen. KaRIn wird so konfiguriert, dass es von einer Seite sendet und auf beiden Seiten über Antennen empfängt. Wissenschaftliche Umlaufbahn (nominell drei Jahre): 891 Kilometer Höhe, 77,6º Neigung, 21 Tage Wiederholzyklus. Quelle: Wikipedia fr. / NASA JPL

Weitere Informationen:

• Surface Water and Ocean Topography - Startseite (NASA)
• Ocean Surface Topography from Space (NASA / JPL)
• Flight Systems (NASA)
• SWOT (CNES)
• SWOT (Surface Water Ocean Topography) Mission (eoPortal Directory)

synthetic aperture radar

Siehe SAR

synthetischer Kanal

Aus den z.B. von Satelliten aufgenommenen originalen Spektralbändern berechnete "künstliche" Kanäle zur Verbesserung der Informationsextraktion von Bilddaten. Häufig werden sogenannte Vegetationsindizes (z.B. NDVI) errechnet, um die Vitalität und photosynthetische Aktivität von Pflanzen genauer bestimmen zu können. Diese machen sich den charakteristischen Anstieg der Reflexionskurve der Vegetation vom sichtbaren Licht (VIS) zum nahen Infrarot (NIR) zunutze.

System Erde

Engl. earth system; Konzept, das die Erde als einheitliches System mit interagierenden Bestandteilen versteht und fünf Sphären (oder Subsysteme): Geosphäre, Hydrosphäre (einschließlich der Kryosphäre), Atmosphäre, Biosphäre und Anthroposphäre umfasst. Der zentrale Ansatz der Erdsystemforschung besteht darin, die Material- und Energieflüsse zwischen diesen Sphären in einem integrativen Ansatz zu betrachten. Die Rückkopplungen und Wechselwirkungen zwischen den Subsystemen zeigen charakteristische Eigenschaften komplexer Systeme. Sie haben auf der Erde Bedingungen geschaffen, die die Entwicklung von Leben auf unserem Planeten im Verlauf von Milliarden Jahren ermöglichten. Das System schließt auch die natürlichen Kreisläufe ein, die des Kohlenstoffs, des Wassers, Stickstoffs, Phosphors, Schwefel und anderen.

Auch die Prozesse im Erdinneren gehören dazu. Natürlich ist auch das Leben in allen Formen ein wesentlicher Bestandteil des Erdsystems. Leben beeinflusst die genannten und weitere Kreisläufe sowie Prozesse. Zum System Erde gehört auch die menschliche Gesellschaft, unsere sozialen und ökonomischen Systeme sind darin eingebettet. In vielerlei Hinsicht sind die menschlichen Systeme wesentliche Motoren bei Veränderungen des Systems Erde.

Der Begriff Globaler Wandel bezieht sich auf erdweite Änderungen im System Erde. Davon betroffen sind: Atmosphärische Zirkulation, Meereszirkulation, Klima, die genannten und weitere Kreisläufe, Meereis- und Meeresspiegelveränderungen, Nahrungsnetze, Biodiversität, Umweltverschmutzung, Gesundheit, Fischbestände und weiteres.
Zu den zivilisationsbedingten Motoren des globalen Wandels gehören Bevölkerung, Wirtschaft, Rohstoffverbrauch, Energie, Zrschließungsmaßnahmen, Transport, Kommunikation, Landnutzung und -bedeckung, Urbanisierung, Globalisierung.

Das Erdsystem und seine Wechselwirkungen

Kompartimente des Erdsystems vom Erdkern bis zur oberen Atmosphäre und dem Strahlungsgürtel. Die Pfeile zeigen den Transfer von Masse, Wärme und Strahlung oder Kräfte zwischen den Kompartimenten. Pfeile in beide Richtungen bedeuten, dass die Kompartimente durch Rückkopplungen miteinander verbunden sind. Pfeile, die nur in eine Richtung führen, stehen für externe Antriebe, die auf das Kompartiment einwirken, d. h. die Eigenschaften des Systems reagieren auf den Einfluss, ohne dass die Einflussquelle selbst beeinflusst wird.

Das Erdsystem umfasst dabei ein gewaltiges Spektrum von Zeitskalen: von Milliarden Jahren für den Erdmantel bis hin zu Jahren oder weniger für Gase in der Atmosphäre. Antriebe durch menschliche Aktivitäten sind auf der rechten Seite dargestellt. Die moderne Systemtheorie besagt, dass das menschliche Verhalten durch Rückkopplungen mit dem Erdsystem beeinflusst wird. Diese Wechselwirkung ist in der folgenden Grafik dargestellt.

Das Erdsystem und seine Wechselwirkungen Quelle: Erdsystemwissenschaft (Leopoldina)

Weitere Informationen:

• Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum, in: bmbf/DFG (2003): Geotechnologien - Das System Erde: Vom Prozessverständnis zum Management
• The Earth System Model (NASA)
• The Changing Earth (ESA)
• The Earth System (Dirk Olbers, AWI)
• NASA Earth Science (NASA)
• Erdsystemwissenschaft - Forschung für eine Erde im Wandel (Leopoldina 2022)

Szene

Engl. scene, franz. scène; der Begriff steht in der Fernerkundung für:

• die Konfektionierung von Bilddaten innerhalb eines Aufnahmestreifens
• den Teil der Erdoberfläche, der in einem einzelnen Bild (der ursprünglichen Aufnahme) wiedergegeben ist.

Die Größe der zu beobachtenden Szene ist ein wichtiger Parameter der bildgebenden Erdbeobachtung. Erdbeobachtungssensoren an Bord von Satelliten werden durch ihre Streifen- oder Schwadbreite charakterisiert. Die Streifenbreite eines Instruments ist die Breite des Streifens auf dem Boden, den es abbilden kann, wenn der Satellit die Erde umkreist. Die Streifenbreite hängt von den Eigenschaften des Instruments und von der Umlaufbahn des Satelliten ab. Im Allgemeinen gilt: Je höher die räumliche Auflösung, desto geringer ist der Streifenabstand des Instruments. Beispielsweise hat das sehr hochauflösende (0,46 m) Instrument an Bord von Worldview-2 einen Streifen von 16,4 km, während Sentinel-2 Streifen von 290 km Breite mit einer räumlichen Auflösung von 5 m abbilden kann.

Um große Gebiete abzudecken, benötigen VHR-Bilder eine große Anzahl von Bildern, was sich auf die zu verwaltende Datenmenge und die Anschaffungskosten auswirkt. Daher muss vor der Bestellung von Satellitenbildern eine Abwägungsanalyse zwischen Auflösung und Kosten durchgeführt werden.

Die meisten Anbieter von EO-Produkten bieten Online-Tools mit graphischer Benutzeroberfläche an, mit denen man den interessierenden Bereich auswählen, die Fernerkundungsprodukte und das Satellitensystem auswählen und Archivbilder anfordern oder Neuanschaffungen in Auftrag geben kann. Die Satellitenbetreiber erstellen dann den Betriebsplan des Satelliten auf der Grundlage der optimierten Anzahl von Streifen, Satellitenpässen, Interessengebiet usw., um die Anfrage zu bearbeiten und ein Preisangebot zu erstellen. Die Anbieter verlangen in der Regel eine Mindestfläche für die Bestellung (normalerweise 100 Quadratkilometer für VHR-Bilder).