Laseraltimeter

Ein Laseraltimeter oder -höhenmesser ist ein Instrument, das verwendet wird, um die Topographie oder die Form der Oberfläche eines Planeten zu ermitteln. Dieser Planet kann die Erde, der Mars oder sogar der Merkur sein. Ein Laseraltimeter kann von einem Flugzeug, einem Hubschrauber oder einem Satelliten aus bedient werden.

Extraterrestrische Laseraltimeter

Laseraltimeter wie das BepiColombo Laser Altimeter (BELA) dienen primär zur Vermessung des Oberflächenmodells eines Planeten oder Mondes. Dieses erhält man mittels der exakten Bestimmung der Entfernung zwischen der Raumsonde, auf welcher das Laseraltimeter installiert ist, und der Planetenoberfläche.

Ein Laser-Höhenmesser (auch Light Detection and Ranging oder Laser Image Detection and Ranging (LIDAR) genannt) sendet Laserpulse (Energie in der Größenordnung von einigen zehn mJ pro Puls) mit einer typischen Pulsrate von 10-30 Hz auf die Planetenoberfläche. Das Instrument misst die Umlaufzeit des Lichtimpulses zwischen der Aussendung und der zurückkehrenden Oberflächenreflexion, um die Entfernung des Raumfahrzeugs zur Oberfläche zu bestimmen.

Durch die Bestimmung des Oberflächenmodells kann bei Kenntnis einer Äquipotentialfläche als Referenzkörper ein Höhenmodell bzw. die Topographie des Planeten bestimmt werden. Laseraltimeter liefern Informationen für folgende wissenschaftliche Ziele:

• Globale Form des Planeten
• Globale und lokale Topographie (für gemeinsame Auswertung mit Schwerefelddaten)
• Parameter der Rotation und Libration (geringfügige periodische Änderungen der Rotationsrate)
• Messungen von Gezeiten
• Höhenprofile geologischer Formationen
• Rauhigkeit und Albedo (Rückstrahlvermögen) der Oberfläche
• Navigations-Unterstützung

Messprinzip

Das Messprinzip basiert auf dem Weg-Zeit-Gesetz, welches besagt, dass bei konstanter Geschwindigkeit der Weg dem Produkt aus Geschwindigkeit und Zeit entspricht: Ein Laser schießt von einer Raumsonde aus auf eine Planetenoberfläche, der Laserstrahl wird von dieser reflektiert und trifft auf einen Empfänger, welcher den ankommenden Laserstrahl detektiert. Misst man die Zeit, welche zwischen dem Aussenden und dem wieder Eintreffen des Laserstrahls verstrichen ist, wird über die Geschwindigkeit des Lichts (299792 km/s) die Entfernung zwischen Raumsonde (bzw. Laseraltimeter) und Planetenoberfläche bestimmt.

Erdbezogene Missionen

Zur Höhenmessung der Erd- und damit auch Meereisoberfläche werden ebenfalls Laseraltimeter-Missionen genutzt. Im Bereich des sichtbaren Lichts sind ICESat (engl. Akronym für Ice, Cloud and Land Elevation Satellite; im Einsatz zwischen 2003 und 2009) bzw. ICESat-2 (seit 2018 im Einsatz) der amerikanischen Weltraumbehörde NASA eine viel genutzte Weltraummission.

ICESat-2: Messung von Veränderungen des polares Eises. Quelle: MEEREISPORTAL (AWI)

Der Satellit ICESat-2 mit seinem aktiven Instrument ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System) ist eine erdbezogene Lasermission. ATLAS sendet Laserlicht aus, registriert die Laufzeit des reflektierten Signals und berechnet daraus die Entfernung zum Zielgebiet. ATLAS liefert so Messungen, mit denen sich Höhenunterschiede im Meereis, Veränderungen der Mächtigkeit von Eisschilden, die Höhen von Landtopographie und Vegetation bestimmen sowie Höhenprofile von Wolken und Aerosolen erstellen lassen. ATLAS zeichnet sich durch eine sehr gute Höhengenauigkeit von bis zu 4 mm aus. Dabei hat der Laser eine Wellenlänge von 532 nm – was einem satten Grün im optischen Bereich entspricht.

Die Satellitenmission hat vier wissenschaftliche Ziele:

• Messung schmelzender Eisschilde und Untersuchung der Auswirkungen auf den Anstieg des Meeresspiegels,
• Messung und Untersuchung von Veränderungen der Masse von Eisschilden und Gletschern,
• Schätzung und Untersuchung der Meereisdicke,
• Messung der Höhe der Vegetation in Wäldern und anderen Ökosystemen weltweit.

Im Rahmen der Operation IceBridge wurden über mehrere Jahre (2009 - 2019) flugzeuggetragene Laseraltimeter von der NASA zum  Monitoring von Veränderungen des Polareises eingesetzt. IceBridge sollte auch die zeitliche Beobachtungslücke der Polarregionen, die zwischen den ICESat-Satellitenmissionen der NASA entstanden war, schließen. 

Weitere Informationen:

• BepiColombo Laser Altimeter (BELA) (Wikipedia)
• Ganymed Laser Altimeter (GALA) (DLR)