Gewässer und Fernerkundung

Die Kenntnis hydrologischer Prozesse, das Verstehen der globalen und lokalen Kreisläufe des Wassers mit dessen geographischer und zeitlicher Verteilung sowie Erkenntnisse der Interaktion des Wassers mit Lithosphäre, Atmosphäre, Biosphäre und Anthroposphäre sind von elementarer Bedeutung für das (Über-)Leben und Wirtschaften des Menschen und dessen Wechselwirken mit der Umwelt.

Insofern berühren hydrologische Fragestellungen Bereiche wie (Trink-)Wasserwirtschaft, Energiewirtschaft, Landwirtschaft, Schifffahrt (z.B. Eisbergwarnung), Raumplanung, Umweltschutz, Erosionsschutz und Katastrophenmanagement, z.B. bei Dürren oder Überschwemmungen.

Die zur Bearbeitung der Fragestellungen und zur Entwicklung von Simulationsmodellen nötigen Datengrundlagen können durch unterschiedlichste Mess- und Analysemethoden (konventionelle Pegelmessungen, Niederschlagsmessungen, Geophysik, Gravimetrie, Fernerkundung, Geochemie usw.) bereitgestellt werden. Neben hydrologisch-meteorologischen Variablen sind dabei auch Hintergrundinformationen über Relief, Landnutzung, Gewässernetz essentiell.

Der Wasserkreislauf

Der Wasserkreislauf hat keinen Ausgangspunkt, aber man kann mit dem Wasser der Ozeane beginnen, da dort die größte zusammenhängende Wassermenge vorhanden ist (vgl. Grafik unten). Die Sonne, die als Motor des Wasserkreislaufs gilt, erwärmt Wasser in den Ozeanen. Ein Teil davon verdunstet als Wasserdampf und gelangt in die Atmosphäre. Ein vergleichsweise kleiner Teil wird durch Sublimation zu Wasserdampf, wenn es aus Eis oder Schnee direkt vom festen in den gasförmigen Zustand (Wasserdampf) übergeht. Dazu tritt Wasserdampf, der von Pflanzen abgegeben wird (Evapotranspiration) oder aus Böden verdunstet.

Die aufsteigende Luft verbreitet den Wasserdampf in der Atmosphäre, wo die kühlere Temperatur den Waserdampf zur Kondensation, zur Eis- und zur Wolkenbildung bringt. Luftströmungen sorgen für globale Wasserdampftransporte, Wassertröpfchen und Eiskristalle in den Wolken kollidieren, wachsen und fallen als Niederschlag aus den Wolken. Ein Teil des Niederschlags fällt als Schnee und kann in Eiskappen und in Gletschern akkumulieren und so gefrorenes Wasser für Tausende von Jahren speichern. In wärmeren Klimaten bilden sich nur saisonale Schneedecken, die im Frühjahr abtauen und über Flüsse ins Meer gelangen.

Der größte Teil des Niederschlags fällt zurück in die Ozeane oder auf Land, wo es der Schwerkraft folgend teilweise an der Oberfläche abfließt und wiederum über Flüsse die Meere erreicht. Jedoch fließt nicht das gesamte Wasser in Flüsse. Eine große Menge des Wassers versickert im Untergrund (Infiltration) und füllt Grundwasserspeicher auf, teilweise für sehr lange Zeit (Aquifere). Ein bestimmter Teil des Infiltrationswassers bleibt nahe der Oberfläche und kann von dort als Grundwasserabfluss in Seen, Flüsse und direkt ins Meer fließen. An bestimmten Stellen kann Grundwasser als Quellen den Untergrund verlassen. Aber ein sehr großer Teil des Grundwassers wird von Pflanzenwurzeln aufgenommen und dann wiederum über Evapotranspiration von den Blättern an die Atmosphäre abgegeben.

Der globale Wasserkreislauf ist ein zentraler Prozess des Systems Erde, da er jede physikalische, chemische und ökologische Komponente betrifft. Klimawandelbedingte oder durch Landnutzungsänderungen verursachte Veränderungen in diesem Kreislauf gehören zu den wichtigsten Themen, denen sich die Geowissenschaftler und Umwelt-, wie auch Sozialpolitiker gegenüber sehen. Wasserbezogene politische Entscheidungen werden häufig getroffen, ohne alle Folgen zuverlässig abschätzen zu können. (vgl. WEBGEO-Modul Hydrologie)

Bessere Vorhersagen zum Verhalten des Wasserkreislaufes sind für folgende Aspekte von Bedeutung:

• Überwachung von Klimavariabilität und -wandel
• effektives Wassermanagement
• nachhaltige Nutzung der weltweiten Wasservorräte
• Erkennen von Trends im Wasserverbrauch und Erstellen von langfristigen Projektionen
• verbesserte kurzfristige Wettervorhersagen, sowie monatliche bis saisonale Vorhersagen, einschließlich Vorhersagen, die zur Schadensminderung bei Dürren und Überschwemmungen dienen

Wegen der Komplexität des globalen Wasserkreislaufes sind langfristige Beobachtungsreihen nötig, um sein Verhalten zu charakterisieren.

Eine Anzahl wichtiger Parameter muss erfasst werden:

• Globale Niederschlagsdaten werden benötigt als Grundlage für numerische Wettervorhersagesysteme, Klimamodelle und hydrologische Modelle.
• Messungen der Evapotranspiration sind wichtig für das Verständnis für den Einfluss der Pflanzendecke auf den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre und für die quantitative Abschätzung des Pflanzenwachstums.
• Die Bodenfeuchte beeinflusst die Differenzierung des Niederschlags in Infiltration und Oberflächenabfluss sowie auch die Differenzierung von Energie in fühlbare und latente Wärme, die an die Atmosphäre abgegeben wird. Wenn Wasser im Boden zurückgehalten wird, schafft dies eine Reserve, die für das Pflanzenwachstum wichtig ist.
• Oberflächenwasser ist wichtig für den häuslichen Gebrauch, für Bewässerung, für die Energieerzeugung und für Ökosysteme. Oberflächenabfluss und Abfluss in Fließgewässern sind entscheidende Messgrößen für die Hochwasservorhersage und für die Bewertung von hydrologischen Auswirkungen von Dürren.
• Daten zu Grundwasservorräten sind wichtig, um deren Veränderungen abschätzen und die Anfälligkeit und Nachhaltigkeit von strategisch wichtigen Aquiferen beurteilen zu können.
• Umfang der Wasserspeicherung in Schneedecken, Gletschern, Eisschilden, Seen und Feuchtgebieten.
• Meeresoberflächentemperatur als bedeutsamer Faktor, der die Niederschlagsmuster beeinflusst, oftmals sehr bedeutsam, wie im Falle des El Niño-Phänomens. Gekoppelt mit Daten zu Wind und Lufttemperatur liefert sie auch Informationen über Energieflüsse zwischen Atmosphäre und Ozean.
• Die Landoberflächentemperatur ist eine wichtige Variable, die zur Abschätzung der Evapotranspiration, der Schnee- und Gletscherschmelze, des Pflanzenwachstums u.w. beiträgt.
• Lufttemperatur und Wasserdampfgehalt

Landschaftsgestaltende Wirkung des Wassers, beobachtet mit Landsat-Satelliten

Die folgende Landsat-Bildsequenz des vom Gelben Fluss (Huanghe) erschaffenen Deltas ist ein Beleg für die landschaftsgestaltende Wirkung des Wassers. Chinas Huanghe ist der sedimentreichste Fluss der Erde. Vom Bayankara Shan im Hochland von Tibet kommend fließt in den Golf von Bohai. Dabei durchquert der Gelbe Fluss ein Plateau, das mit einer bis zu 300 m mächtigen Schicht aus feinem windverfrachteten Sediment (Löß) bedeckt ist. Dieses gering verfestigte Sediment kann leicht erodiert werden, und so werden jährlich Millionen von Tonnen vom Huanghe weggetragen. Große Mengen davon erreichen die Flussmündung, wo ein Delta entsteht, das permanent durch neues Material umgebaut wird. Während der vergangenen 2.000 Jahre ist das Delta des Gelben Flusses mehrere hundert Kilometer die Küste hinauf und herunter gewandert.

Seit der Mitte des 19. Jh. sind aber die unteren Flussabschnitte und das Delta massiven flussbaulichen Eingriffen unterworfen, um die Hochwasser einzudämmen und die Küstenerschließung zu schützen.

Die naturfarbene Bildsequenz von Landsat-Satelliten zeigt das Delta im Bereich der aktuellen Mündung in 5-Jahres-Intervallen von 1989 bis 2009. Zwischen 1989 und 1995 ist das Delta länger und enger geworden, einer nach SO gerichteten Biegung folgend. 1996 blockierten die chinesischen Flussbauingenieure aber den Hauptkanal und zwangen den Fluss sich nach NO zu wenden. Um 1999 (mittleres Bild) haben Erosion und Ablagerungen entlang des alten Kanals dazu geführt, dass sich die Spitze des Deltas zurückbildete, während sich im NO eine neue Halbinsel bildete.

Die neue Halbinsel wuchs im nächsten 5-Jahresintervall in die Breite, und Aquakulturen, die als dunkle Rechtecke erkennbar sind, expandierten deutlich in Gebieten südlich des Flusses.

Yellow River Delta - World of Change Quelle: NASA Earth Observatory

Bis 2009 war der Küstenbereich nordwestlich der neuen Mündung deutlich aufsedimentiert. Das war wohl das Ergebnis, das die Ingenieure erzielen wollten: Im Gebiet nordwestlich der frisch gesicherten Küstenlinie liegen ausgedehnte Öl- und Gasfelder, und deren Schutz ist ein vorrangiges Anliegen.

Obwohl es Hochwasserdämme, Buhnen und Ufermauern den Behörden ermöglichen, die Erosion zu bremsen und die Fließrichtung des Flusses zu bestimmen, bleiben dennoch andere Herausforderungen beim Schutz der natürlichen Feuchtgebiete des Deltas und bei der landwirtschaftlichen und industriellen Erschließung. Der Wasser- und Sedimentzustrom in das Delta ist seit den 1970er Jahren deutlich zurückgegangen, was sowohl auf geringere Niederschläge zurückzuführen ist, wie auch auf den explosionsartig gestiegenen Wasserbedarf durch Landwirtschaft und Siedlungen in den flussaufwärts liegenden Gebieten. In den 1990er Jahren fiel der Fluss häufig trocken, bevor er das Delta erreichte.

Diese Phasen mit Niedrigwasser oder Trockenfallen stellen ein großes Problem für die unteren Flussabschnitte und das Delta dar. Sie schädigen Feuchtgebiete und Aquakulturen schwer und verschlimmern das ohnehin schon ernsthafte Problem der Wasserverschmutzung. Ironischerweise verstärken sie auch das Hochwasserrisiko, denn bei niedrigem Wasserstand lagern sich im Flussbett leichter Sedimente ab. Dadurch erhöht sich das Flussbett. In manchen Abschnitten liegt es bis zu 10 m über der umgebenden Flussaue. Ein Dammbruch bei hohem Wasserstand hätte hier verheerende Wirkungen.

Die Rolle von Erdbeobachtungssatelliten bei der Gewässerfernerkundung

Erdbeobachtungssatelliten spielen eine wesentliche Rolle in der Bereitstellung von Informationen zur Untersuchung und zum Monitoring des Wasserkreislaufes und sind ein wichtiges Element der Beobachtungsstrategie. Der gleichzeitige Betrieb von speziell designten Satelliten und Sensoren aus Europa, Japan und den USA ermöglicht die Erstellung von neuen, integrierten Datensätzen auf Mehrjahresbasis. Satellitendaten schaffen viele Möglichkeiten, die Menge und Qualität an Informationen zu erhöhen, die für die Wasserwirtschaft nötig sind. Ihre globale Natur trägt auch dazu bei, die Datenkontinuität für grenzüberschreitende Einzugsgebiete zu gewährleisten, wo vollständige, gemeinsame und einheitliche Informationen möglicherweise schwer zu erhalten sind.

Daten zu Lufttemperatur, Wasserdampf und Wolken werden seit Jahrzehnten operationell von polarumlaufenden Satelliten geliefert. Sie stammen aus den USA (NOAA-Serie), seit jüngerer Zeit aus Europa (EUMETSATs Metop-Serie) und auch aus China und Russland. Der Einsatz von hoch aufgelösten Infrarotsondierungen (IASI), von Radiookkultations-Verfahren und dem GPS-Signal (z.B. COSMIC/FORMOSAT-3 und GRAS auf Metop) haben zusätzlich die weltraumgestützten Datenbeiträge vermehrt.

Meeresoberflächentemperaturen (Sea Surface Temperature, SST) werden von den operationellen Wettersatelliten geliefert, ferner von den Missionen Aqua und Terra mit ihrem Sensor MODIS, auch ENVISAT trug bis zu seinem Ausfall 2012 dazu bei. Seit 2011 stellt auch NOAA’s Sensor VIIRS auf dem Satelliten Suomi NPP Daten zur Meeresoberflächentemperatur bereit. Die Kontinuität der Datenreihe wird durch die JPSS-Serie und schließlich durch das SLST-Radiometer auf der Sentinel-3-Serie gewährleistet.

Temperaturkarten der Wasseroberfläche helfen bei der Einschätzung des hydrodynamischen und biologischen Zustands, der Wettervorhersage, der Lokalisierung von Frontensystemen, der Beladung von Schiffen (Tiefgang abhängig von Dichte), der Suchdauer nach Schiffbrüchigen, der Erfassung langfristiger globaler Klimatrends und vielem mehr.

Jeder Körper emittiert Strahlung entsprechend seiner Temperatur. Die Meeresoberfläche emittiert im thermalen Infrarot- und im Mikrowellenbereich. Zur Bestimmung der Meeresoberflächentemperatur werden diese Emissionen von passiven hochauflösenden Radiometern gemessen. IR-Sensoren und Mikrowellenradiometer sind beide unabhängig von der Tageszeit einsetzbar. Während IR-Sensoren Wolken nicht durchdringen können, arbeiten Mikrowellenradiometer nahezu unabhängig von den Wetterverhältnissen (Ausnahme starker Regen). Höhere Flächenauflösungen werden jedoch von IR-Sensoren bzw. Multispektralscannern erzielt (früher z.B. AATSR auf ENVISAT).

Medspiration SST-Produkte

Medspiration ist ein von der ESA finanziertes Projekt, um aus der Kombination von verschiedenen unabhängigen SST-Missionen verlässliche SST-Datensätze zu erstellen. Ziel ist die Möglichkeit zur zeitnahen Einbindung der Daten in numerische Ozean-Vorhersagemodelle. Gleichzeitig soll ein optimales und aktuelles SST-Produkt für den allg. Gebrauch entstehen (s. Bsple. links).

Gegenüber den längst etablierten Wettervorsagemodellen haben die Ozeanmodelle noch deutlichen Nachholbedarf. Dies liegt nicht zuletzt an der Uneinheitlichkeit der Datensätze von unterschiedlichen Satellitensystemen mehrerer Weltraumagenturen. Keiner dieser Datensätze alleine genügt den Qualitätsanforderungen der Modelle.

Im Rahmen des Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE) strebt man die Bereitstellung von Echtzeit-nahen SST-Daten an, die den Tagesablauf widergeben, eine Genauigkeit von unter 0.2 K und eine räumliche Auflösung von unter 10 km besitzen. Dies ist nur möglich durch die Kombination der Leistungsfähigkeit von verschiedenen Sensortypen. Die Group on High Resolution SST (GHRSST) versucht nun, bestmögliche Ensemble-Produkte zu generieren. Dabei werden neben den Satellitendaten auch in situ-Messungen von Schiffen und Bojen mit verwertet als unabhängige und zuverlässige Referenzdaten (GHRSST Match-up Database).

Medspiration SST-Produkt ODYSSEA South Africa SST Analysis, daily, 0.02° resolution Quelle: Ifremer CERSAT

Niederschlag ist ein Schlüsselparameter innerhalb des Wasserkreislaufs. Geostationäre Wettersatelliten wie GOES, GMS und Meteosat lieferten Bilder im sichtbaren und infraroten Bereich, die bislang die beste Quelle von Satellitendaten waren. Es handelt sich um indirekte, aber mit großer Häufigkeit gewonnene Abschätzungen des Niederschlags, die von Temperaturmessungen der Wolkenoberflächen abgeleitet sind. Diese Daten werden im GEWEX Global Precipitation Climatology Project (GPCP) des WCRP verwendet, welches seit 1979 die mittleren monatlichen Niederschlagswerte bereitstellt, auch im International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) werden sie verwendet.

Wolken- und Niederschlagssysteme haben einen eher zufälligen Charakter und entwickeln sich sehr schnell, besonders im Bereich sommerlicher Konvektionszellen. Diese Faktoren machen eine Quantifizierung der Wolkenbildung und des Niederschlags schwierig.

Verlässliche bodengestützte Niederschlagsmessungen sind im großregionalen oder globalen Maßstab schwierig zu erhalten, da über 70 % der Erdoberfläche von Wasser bedeckt sind und viele Länder nicht über präzise Einrichtungen zur Niederschlagsmessung (Regenmessstationen und/oder Niederschlagsradar) verfügen. Der einzige praktikable Weg, großräumig und global Niederschlagswerte zu erhalten geht über weltraumgestützte Fernerkundungsinstrumente.

Der Start der Tropical Rainfall Mapping Mission (TRMM) von NASA/JAXA im Jahr 1997 bedeutete einen Durchbruch in der Bereitstellung von 3-D-Informationen über Struktur und Eigenschaften von Niederschlag. TRMM war der erste für Niederschlagsmessung konzipierte Satellit und ist gegenwärtig (2012) der einzige Satellit, der ein Wetterradar trägt. Er hat seither eine Fülle von Erkenntnissen über tropische Stürme, Hurrikane und kurzzeitige Klimaschwankungen wie ENSO geliefert. Die Kontinuität wird durch die für 2014 geplante Mission eines 'Kern'-Satelliten der NASA im Rahmen des Programms Global Precipitation Measurement (GPM) der NASA und weiterer Raumfahrtagenturen gewährleistet.

2011 wurde der Satellit Megha-Tropiques gestartet, der den Wasserkreislauf und die atmosphärischen Energieflüsse untersuchen soll, insbesondere in den Tropen. Seine Aufgaben werden ergänzt durch die Global Change Observation Water Mission Serien (GCOM-W) der JAXA. All diese Missionen wenden Mikrowellen-basierte Technologien an, entweder passive Fernerkundungssensoren oder Wetterradar.

Die im November 2009 gestartete Mission Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) ist die zweite Earth Explorer Opportunity Mission der ESA. SMOS liefert Messungen zu Bodenfeuchte und Ozeansalinität. Im Juni 20011 folgte der Satellit SAC-D/Aquarius (CONAE/NASA), der sich ebenfalls auf Messungen der Ozeansalinität fokusiert. Die Anfang 2015 gestartete NASA-Mission Soil Moisture Active Passive (SMAP) trägt Daten über die Feuchtigkeitsverteilung in den obersten 5 cm Schicht des Erdbodens bei. Auf Basis dieser Informationen sollen genauere Wettermodelle entwickelt und die Folgen des Klimawandels für die Versorgung mit Wasser auf der Erde besser eingeschätzt werden. Die auf SMAP befindliche Radareinheit ist inzwischen ausgefallen, sein Radiometer ist weiterhin aktiv.

Bodenfeuchte und Ozeansalinität sind wichtige Parameter, da sie wesentlich zum Verständnis der Energiebilanz zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre beitragen. Ihre erdweite Erhebung ist von großem Interesse für Klima- und Wetterforschung, insbesondere für die Verbesserung von Modellen und Vorhersagen. Bislang werden Oberflächensalzgehalte durch in situ-Messungen an Messstationen, Bojen und Floatern geliefert. Die Bestimmung erfolgt über die Leitfähigkeit oder durch Refraktometer.

Informationen zur Evapotranspiration werden von einer Reihe von Satellitendaten-gestützten Modellen abgeleitet, die den Austausch von Wasser und Energie zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre beschreiben. Dabei werden in die Modelle Daten von Sensoren eingegeben , die im sichtbaren und thermalen Bereich arbeiten. Lieferanten sind geostationäre Satelliten, Landsat sowie Aqua und Terra mit dem Modis-Sensor.

Ein neues Einsatzgebiet ergibt sich durch GRACE mit seinen Messungen zur Gravimetrie, die zur Quantifizierung von Grundwasser-Änderungen herangezogen werden. Nachfolgemissionen (GRACE Follow On und GRACE-II) sind in der Planung, da dieser Forschungsbereich vermutlich expandieren wird.

Radaraltimetrie wird zunehmend zur Messung des Wasserspiegels in Seen und Flüssen eingesetzt werden.

Das Komitee für Erdbeobachtungssatelliten CEOS trägt auch beim Anwendungsbereich der Gewässerfernerkundung nicht nur dazu bei, dass relevante Daten erhoben werden, sondern das Komitee unterstützt auch diverse Anwendergruppen bei der Anwendung der Daten und trägt so zum Capacity Building in Entwicklungsländern bei (AWCI - Asian Water Cycle Initiative, CIEHLYC - Water Cycle Capacity Building activity in Latin America and AfWCCI - African Water Cycle Coordination Initiative.

Marine Fernerkundung

Die Untersuchung der Meeres- und Küstenregionen ist seit jeher im Interesse der Menschheit. Etwa 50 % der Weltbevölkerung lebt in einem ca. 60 km breiten küstennahen Streifen und ist damit direkt durch Fischerei, Handelswege, ozeanische Gefahren etc. oder indirekt durch Klimaeinwirkung von den Ozeanen beeinflusst. Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts stützte sich die Ozeanographie ausschließlich auf in situ, d.h. direkt vor Ort und in Berührung mit dem zu untersuchenden Objekt gemessene Daten. Aufwändige Messfahrten lieferten einen kleinen Einblick in die topographischen, physikalischen, chemischen und biologischen Verhältnisse in den Weltmeeren.

Seit Mitte des letzten Jahrhunderts ist das Sammeln großer Datenmengen und ein großflächiges Monitoring der Ozeane möglich. In Luft- und Raumfahrt wurden Sensoren entwickelt, die keinen direkten Kontakt zum untersuchten Objekt mehr benötigen, sondern dieses berührungsfrei nach diversen Parametern "aus der Ferne erkunden".

Marine Fernerkundungsinstrumente können an der Küste oder auf Meeresplattformen, Schiffen, Hubschraubern, Flugzeugen oder Satelliten installiert sein. Zu den marinen Fernerkundungsmethoden zählt neben der Messung elektromagnetischer Strahlung auch die Vermessung des Ozeans mit akustischen Instrumenten, die sich im Wasser befinden und über Schallwellen arbeiten (Hydrophone; Ocean Acoustic Tomography).

Die Satellitenfernerkundung hat in den letzten Jahren in der Ozeanographie große Bedeutung erlangt, da sie großflächige, weltweite Messungen einer Vielzahl ozeanographischer Parameter ermöglicht. Neben der Bestimmung von Oberflächentemperatur, Salzgehalt, Eisbedeckung, Meeresspiegel und Wellenhöhe lassen sich über Messung der Oberflächenrauigkeit Erkenntnisse über Wind- und Strömungsverhältnisse erzielen. Und schließlich erlaubt die Ozeanfarbe Rückschlüsse auf Wasserinhaltsstoffe. Es gibt drei Gruppen von fernerkundbaren Wasserinhaltsstoffen:

• Phytoplankton mit seinem Chlorophyll: lebende Organismen
• Schwebstoffe: suspendierte anorganische Stoffe (Mineralien) und/oder totes organisches Material (Detritus)
• Gelbstoff: gelöste organische Substanzen (Fulvosäuren, Huminstoffe)

Arktisches Meereis-Minimum (2011) Das Bild links zeigt das arktische Meereis-Minimum im Jahr 2011 mit Hilfe des Instruments AMSR-E. Die Karte zeigt das Meereis-Minimum des Jahres 2011, welches am 8. September eintrat. Zum Vergleich sind die Meereis-Minima vom September 2007 und die durchschnittlichen Minima der Jahre 1979 bis 1983 als rote bzw. orangefarbene Linien eingetragen. 2011 galt die Ausdehnung dieses Jahres als zweitniedrigste in der 35-jährigen Satellitendaten-Zeitreihe. Die Ausdehnung des Meereises im Jahr 2011 ist nur ca. 0,1 Mio km² größer als 2007. Quelle: Universität Bremen

Die Eisbedeckung der Meere hat großen Einfluss auf das Reflexions-, Streuungs- und Emissionsverhalten elektromagnetischer Strahlung. Meereis emittiert signifikant mehr EM-Strahlung als der umgebende Ozean; die Helligkeitstemperatur ist in allen Frequenzen höher. Auch kann das Alter des Meereises aufgrund von Veränderungen der Oberflächenrauhigkeit und des Salzgehaltes, bedingt durch Tau- und Gefrierprozesse, in neues, einjähriges und mehrjähriges Eis eingeteilt werden. In mehrjährigem Eis sind mehr Luftblasen eingeschlossen, welche die Streuung erhöhen und das Signal stärker depolarisieren. Ebenfalls kann mit passiven Sensoren die Eisdicke bis etwa 100 cm geschätzt werden, und es können Aussagen über die prozentual von Eis bedeckte Fläche, z.B. bei Treibeis, getroffen werden. Schwierigkeiten bei der Eisbestimmung erfolgen, wenn sich Schmelzwasser auf dem Eis bildet oder eine Schneedecke auf dem Eis aufliegt.

Aufgrund der großen Unterschiede der Strahlungseigenschaften von Eis und Wasser kann die Eisbedeckung über viele Sensorentypen, von passiven VIS-Sensoren, Infrarot- und Mikrowellen-Radiometern und aktiven Radarsystemen, wie Scatterometern und SAR, detektiert werden. Häufig werden Messungen aus mehren Systemen kombiniert, um detaillierte Eiskarten zu erstellen.

So umfangreich wie Datenerfassung und -verarbeitung sind auch die Möglichkeiten der Nutzung: Von rein wissenschaftlicher Grundlagenforschung  über wirtschaftliche Nutzung (Fischerei, Aquakultur, Schifffahrt) bis zu sicherheitsrelevanten Problemstellungen (Ölerkennung und Driftprognosen, Eisüberwachung, Verkehrssicherheit, Wrackerkennung) wird eine breite Gemeinde an Interessengruppen bedient.

In den folgenden Aufnahmen dokumentiert ENVISAT mit unterschiedlichen Sensoren die Ölverschmutzung nach der Explosion der Ölplattform "Deepwater Horizon" am 22.04.2010. Die bei der Havarie entstandenen Oberflächenfilme sind dünne Schichten von Materie auf der Meeresoberfläche. Diese können natürlichen Ursprungs sein, beispielsweise durch Algenblüten produziertes organisches Material, oder künstlichen Ursprungs (Schifffahrt, Bohrungen). Ihr häufiges Auftreten und ihr ökologischer Einfluss rücken sie in den Mittelpunkt der Forschung.

Bei der Detektion maritimer Ölverschmutzungen kommt eine große Bandbreite an Fernerkundungssensoren zum Einsatz. Aufgrund der großen räumlichen Abdeckung, Licht- und Bewölkungsunabhängigkeit bilden meist SAR-Systeme die Grundlage maritimer Ölerkennung. Kapillarwellen werden durch Ölfilme abgedämpft und die Oberfläche geglättet. Die Rückstreuung von Radarstrahlen wird massiv verringert, so dass Ölfilme im Radarbild als dunkle Flecken erscheinen. Bei geignetem Sonnenstand können auch optische Sensoren Aufschluss über Ölverschmutzungen geben.

Oberflächenfilme - Öldetektion I Dieses ENVISAT-Radarbild erfasst das Öl, das in den Golf von Mexiko austritt. Der Ölaustritt ist als verquirlte dunkelgraue Fläche rechts unten erkennbar. Envisat nahm dieses Bild mit seinem Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) am 26. April um 15:58 UTC auf. Quelle: ESA

Oberflächenfilme - Öldetektion II Optisches Envisat-Bild des Ölaustritts im Golf von Mexiko, erkennbar als weiße verquirlte Fläche rechts. Das Bild wurde vom Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) am 25. April 2010 um 16:28 UTC aufgenommen. Quelle: ESA

Die Genauigkeit von Satellitenmessungen reicht noch nicht an die von in situ-Messungen heran, doch die Verfügbarkeit von kontinuierlich und erdumspannend messenden Systemen wiegt diesen Nachteil auf. Steckt beispielsweise die Bestimmung des Oberflächensalzgehaltes mittels Fernerkundung noch in den Kinderschuhen, so wird sie bei der Bestimmung von ozeanischer Oberflächentemperatur, Topographie, Wellenhöhe und Wasserinhaltstoffe etc. breit angewandt. Für die Bestimmung der Eisbedeckung und für die Detektion von Oberflächenfilmen (z.B. Öl) ist die Fernerkundung nahezu unersetzlich.

Das folgende Schema gibt einen Überblick zu verschiedenen Methoden der marinen Fernerkundung. Es lassen sich über Fernerkundung im marinen Bereich vier Grundgrößen bestimmen: Färbung der Ozeane, Temperatur, Rauhigkeit und Höhe. Die Färbung ist bis wenige Meter Tiefe messbar, die drei anderen Parameter werden nur an der Oberfläche selbst definiert. Obwohl die Möglichkeiten der Fernerkundung dadurch beschränkt erscheinen, haben viele Phänomene in tieferen Schichten des Ozeans Auswirkungen auf diese Parameter und hinterlassen eine erkennbare Oberflächensignatur.

Fernerkundungssensoren sind spezifisch auf einen kleinen Aspekt der Informationsgewinnung beschränkt. Die Güte und Bandbreite der Informationen, die aus Fernerkundungsdaten gezogen werden können, sind direkt abhängig von der Genauigkeit und Charakteristik der Messinstrumente. Zur Datenanalyse und Interpretation werden ferner Kenntnisse über den Weg des Informationsflusses benötigt: Prozesse in den oberen Ozeanschichten, Interaktion EM-Wellen mit dem Ozean, Atmosphären- und Sensorenphysik.

Verschiedene Methoden für die marine Fernerkundung Quelle: DeMarine

In Deutschland befasst sich neben privaten Firmen, wie z.B. Brockmann Consult insbesondere die Organisationseinheit Gewässerfernerkundung des DLR-Instituts für Methodik der Fernerkundung mit der Gewässerfernerkundung. Dabei ist sie im Rahmen ihrer wissenschaftlichen Arbeiten und durch Forschungs- und Anwendungsprojekte mit einer Vielzahl von Partnern, darunter wissenschaftlichen Einrichtungen, wie auch Anwenderinstitutionen, vernetzt.

Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung, Implementierung und Validierung von Modellen und Algorithmen zur Auswertung satellitengestützter, optischer Sensoren (StO Berlin) wie auch Radar-Sensoren (StO Oberpfaffenhofen). Das Ziel der Arbeiten ist die Ableitung biologischer, ökologischer und meteo-mariner Parameter zur Überwachung biologischer und ökologischer Zustandsgrößen von Küsten- und Binnengewässern und deren Veränderung. Diese dienen zur Wind-, Seegangs- und Eiskartierung sowie zur Verbesserung von Vorhersagemodellen für Küsten- und Gewässermanagement. Die Fernerkundung der Binnengewässer spielt beim DLR gegenwärtig eine marginale Rolle.

Als Datenquellen werden verschiedene spektral hochaufgelöste und hyperspektrale optische Sensoren und Synthetik-Apertur-Radar auf nationalen und internationalen Fernerkundungssatelliten genutzt. Gegenwärtige Schwerpunkte sind die Nutzung von TerraSAR-X (D) und TanDEM-X sowie die Vorbereitung der neuen Mission EnMAP.

Die Arbeiten dienen im Wesentlichen der Erschließung neuer Anwendungsbereiche für Fernerkundungsdaten und prä-operationellen Entwicklungen im Umfeld des europäischen Copernicus-Programms. Diese Entwicklungen werden gemeinsam mit dem DFD in operationelle Near-Real-Time Produktketten umgesetzt (nahe-Echtzeit, NRT). Dafür ist die Abteilung in mehreren nationalen und internationalen Copernicus-Projekten engagiert. Die wissenschaftlich-methodischen Ergebnisse fließen in problemangepasste Konzepten für neue Erdbeobachtungsinstrumente und -missionen ein.

SAR-Ozeanographie:

Radar ist ein aktives Instrument, ein Allwetterauge. Die vom Satelliten ausgestrahlten Radarstrahlen beleuchten die Erde unabhängig vom Sonnenlicht, durchdringen Wolken und zeigen durch spezielle Empfangs- und Prozessierungsverfahren der rückgestreuten Strahlung besonders hoch aufgelöste Bilder der rauen Oberfläche des Meeres. Die Gruppe Radarozeanographie am DLR entwickelt Algorithmen, um Windfelder, Seegangsparameter, Meereisbedeckung zu bestimmen und um Schiffsunfälle zu untersuchen und Ölverschmutzung zu verfolgen. Die Ergebnisse werden in Experimenten und Schiffsexpeditionen z.B. mit der Polarstern überprüft.

Die gewonnenen Informationen ergeben ein maritimes Lagebild, das der Sicherheit auf den Meeren zugutekommt (Maritime Sicherheit). So lassen sich beispielsweise in polaren Gewässern, in denen Seewege durch treibende Eisschollen binnen Stunden unpassierbar werden können, mithilfe des Lagebildes Schiffsrouten anpassen und dadurch Unglücke vermeiden. Hilfsmaßnahmen bei Havarien werden durch aktuelle Satellitenaufnahmen unterstützt. Die Bereitstellung genauer Wind- und Seegangsinformationen hilft bei der Planung, dem Bau und der Instandhaltung von Offshore-Windparks zum Beispiel in der Nordsee und dient darüber hinaus der Verbesserung von Wettermodellen und Vorhersagen. Durch die Detektion von Schiffen und Ölteppichen lassen sich illegales Verklappen von Öl und unerlaubte Fischerei nachweisen.

Um möglichst aktuelle Lagebilder bereitzustellen werden Radarsatelliten unterschiedlicher Missionen wie TerraSAR-X, Sentinel-1 oder RADARSAT-2 kombiniert, aber auch Schiffsmeldungen und In-Situ Daten eingebracht und in Nahe-Echtzeit verarbeitet.

Optische Gewässerfernerkundung:

Im sichtbaren Spektralbereich der Sonnenstrahlung (~ 400 - 700 nm) kann das Licht in den Wasserkörper eindringen, seine Farbe kann durch Streu- und Absorptionsprozesse im Wasserkörper oder am Gewässerboden verändert werden. Aus diesem Grund können aus optischen Fernerkundungsdaten Aussagen über die Eigenschaften des Wasserkörpers, genauer Art und Konzentration verschiedener Wasserinhaltsstoffe, bzw. Eigenschaften des Untergrundes abgeleitet werden. Dazu müssen feine "Farb"-Nuancen festgestellt und quantifiziert werden. Dies geschieht durch Vermessung der Strahlung in hinreichend vielen, schmalen Spektralkanälen mittels Spektrometern. Während an Bord von Schiffen oder im Wasser selbst nicht abbildende Sensoren zum Einsatz kommen, werden auf Flugzeugen und Satelliten sogenannte abbildende Spektrometer eingesetzt, die für jeden Spektralkanal auch ein Bild über eine räumliche Abbildung liefern. Die Fernerkundung ist hierbei die einzige Technologie um die hohe räumliche und zeitliche Dynamik von Gewässern beobachten zu können. Eine hinreichend dichte und gleichzeitig flächendeckende Beobachtung mittels Bojen oder Schiffen ist praktisch nicht realisierbar.

Das gemessene Spektrum, also die Größe der Strahlung in den verschiedenen Kanälen, wird durch Streu- und Absorptionsprozesse der Wassermoleküle und verschiedene Wasserinhaltsstoffe bestimmt. Je nach Art und Konzentration dieser Stoffe verändert sich das Spektrum. Die Hauptgruppen fernerkundbarer Wasserinhaltsstoffe sind Phytoplankton (an Hand verschiedener Pigmente), organischer und anorganischer Schwebstoff sowie gelöste organische Substanzen. Der Zusammenhang zwischen Inhaltsstoffkonzentration und Farbcharakteristik erschließt sich über bio-optische Modelle, die auch die für verschiedene Spezies, die jeweilige Saison und das Gewässer selbst spezifische Eigenschaften beinhalten können.

Da sich der Satellitensensor oberhalb der Erdatmosphäre befindet, muß für diese Simulationen auch der Einfluss der Atmosphäre berücksichtigt werden. Dies geschieht durch die Nutzung von Strahlungstransportmodellen. Mit diesen Modellen lassen sich die erwarteten Messdaten je nach Situation oder Beobachtungsgeometrie simulieren und können zur Entwicklung und Optimierung von Fernerkundungsalgorithmen genutzt werden.

Die folgende Grafik enthält Darstellungen von aus MERIS-Daten abgeleitete Konzentrationen von Chlorophyll (l.o.), Schwebstoff (r.o.), Gelbstoff (l.u.) und daraus resultierende Sichttiefe in der Ostsee, 1. Juli-Dekade 2008.

Optische Gewässerfernerkundung Quelle: DLR

Das Binnengewässerprojekt SAMOSEE-BW

SAMOSEE-BW ist Teil der Digitalisierungsstrategie des Landes Baden-Württemberg. Dabei nutzt das LUBW Daten der Erdbeobachtungssatelliten der ESA und der NASA. Diese haben mit ihren Messsensoren die gesamte Landoberfläche und damit auch die Seen im Blick. Mit diesen Möglichkeiten der Fernerkundung sind neue effektivere Monitoringkonzepte für die Seen Baden-Württembergs möglich. Mit dem Projekt werden Satellitendaten für die routinemäßige Bewertung von Stehgewässern nutzbar gemacht. Bis aus den Rohdaten aber anschauliche Grafiken, Tabellen und Abbildungen werden, ist es ein weiter Weg. Mithilfe von speziellen Computerprogrammen und Arbeitsroutinen werden störende Einflüsse der Atmosphäre, Wolkenbildung oder Sonnenreflexion gefiltert und korrigiert. Die klassischen Messungen und Wasserprobenentnahmen werden jedoch auch in Zukunft trotz aller Technik weiterhin unerlässlich sein, um die Qualität der Seen im Blick zu behalten.

Ein Anzeiger für die Gewässergüte ist unter anderem der Blattfarbstoff Chlorophyll-a. Dieser kommt neben Pflanzen auch im Phytoplankton von Seen vor, wo er für die Photosynthese zuständig ist. Aufgrund seiner Grünfärbung lässt er sich auch aus dem All mit Hilfe von Satelliten erfassen. Zur Erfassung nehmen die Satelliten mit ihren an Bord befindlichen Multispektralsensoren die Farbe eines Gewässers sehr genau auf. Diese Multispektralsensoren messen die Intensität des vom Gewässer zurückgestrahlten Lichtes für verschiedene Wellenlängen. Durch die Absorption von Chlorophyll-a erscheint das Wasser in einem See grün, wenn es sehr viele Algen beziehungsweise sehr viel Phytoplankton gibt. Anhand dieser Grünfärbung kann man die Konzentration von Chlorophyll-a im Wasser ermitteln.

Bei den größeren Seen wie dem Bodensee wird durch die häufige Überfliegung eine zeitlich engere Analyse des Gewässerzustandes möglich. Die höhere räumliche Auflösung der Satellitenbilder erlaubt es den Fachleuten zudem, die Entwicklung in mehr Seeteilen und Buchten im Detail zu verfolgen als dies bei der regelmäßigen Analyse von Wasserproben möglich ist. Wasserproben können wegen des hohen Aufwandes nur an wenigen Stellen im See genommen werden. Gerade im Hinblick auf die Entwicklung potenziell gefährlicher Blaualgenblüten – angezeigt durch den sogenannten HAB-Indikator (Harmful Algal Bloom, gefährliche Algenblüte) – können die Daten aus dem All wichtige Informationen für die Sicherheit des betreffenden Gewässers als Badesee geben.

Fernerkundungsdaten erlauben Rückschlüsse auf Umweltveränderungen von Gewässern. Die Aktualität der Daten ermöglicht es den Verantwortlichen zudem, schnell zu handeln, zum Beispiel wenn aufgrund von Blaualgenblüten ein Badeverbot erforderlich ist. Das Projekt erleichtert das flächendeckende Monitoring der Seen in Baden-Württemberg und trägt damit nicht zuletzt zu einem tieferen Verständnis der ökologischen Zusammenhänge des Lebensraums Wasser bei.

Weitere Informationen:

• Optische Gewässerfernerkundung (DLR)
• DeMarine
• Oceanography from Space (Ifremer CERSAT)
• U.S. Drought Portal (NIDIS)
• Dartmouth Flood Observatory
• NOAA NWS River Forecast Centers
• Groundwater Resources of the World (UNESCO / BGR)
• Global Hydrology Resource Center (GHRC, NASA)
• The Tiger Initiative - Looking for Water in Africa (ESA 2012)
• Earth Observation for Water Resources Management (World Bank 2016)
• Toward a definition of Essential Mountain Climate Variables (Thornton, J.M. et al. 2021)
• Atmospheric Temperature and Humidity Sounders (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Cloud Profile and Rain Radars (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Radar Altimeters (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Scatterometers (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Ocean Colour Instruments (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Lightning Instruments (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Zeitgemäße Erfassung und Bereitstellung von Geobasisdaten für die WSV ('Beiträge zu Digitale Geländemodelle von Wasserläufen', 'LIDAR', 'Kamerarsysteme'; BfG)
• SAMOSEE-BW: Fernerkundung von Seen – unsere Augen im All (LUBW 2022)