Radio-Okkultation

Engl. radio occultation; eine Fernerkundungs-Messtechnik zur Sondierung planetarer Atmosphären unter Benutzung phasentreuer Radiosignale, die sich durch die Atmosphäre von einem Sender zu einem Empfänger ausbreiten. Sowohl Sender als auch Empfänger befinden sich während der Messphase außerhalb der zu sondierenden Atmosphäre.

Die Durchführung der Messung erfordert eine spezielle Geometrie des Raumfahrzeugs zur Empfangsstation, wobei das Raumfahrzeug während der Messung aus Sicht des Empfängers hinter dem Planeten verschwindet und somit in Okkultation geht. Während der Radiostrahl vom Weltraum oberhalb der Atmosphäre zu einem Punkt in die Atmosphäre läuft, findet eine kontinuierliche Aufzeichnung der Beobachtungsdaten statt. Das sondierte Medium wirkt in charakteristischer Weise auf das Radiosignal und verändert dessen Phase, Amplitude und Polarisation. Die Signalbeeinflussung durch das Medium erzeugt einen zeitabhängigen Datensatz, der dem Höhenprofil des Brechungsindex entspricht. Dieses Profil der Neutral-Atmosphäre ist für Gasgemische proportional zur Dichte, woraus sich mit der hydrostatischen Grundgleichung und dem idealen Gasgesetz Höhenprofile von Druck und Temperatur der Neutral-Atmosphäre berechnen lassen. Aus der Proportionalität der Elektronendichte zum Höhenprofil des Brechungsindex sind zusätzlich Aussagen über die Elektronendichte der Ionosphäre möglich.

Wenn Radiookkultations-Missionen mit Funksignalen von GPS-Satelliten oder generell von Navigationssatelliten arbeiten, benutzt man den Begriff GPS-RO bzw. GNSS-RO (Global Navigation Satellite System-Radio Occultation). Derartige Messungen können auch von Flugzeugen oder von hohen Berggipfeln aus durchgeführt werden.

Beispielsweise nutzte CHAMP die Signale der GPS-Satelliten zur Temperatur- und Wasserdampfmessung an täglich über 200 global verteilten Orten von der Erdoberfläche bis in 40 km Höhe. Die Signale werden dabei immer dann aufgezeichnet, wenn die GPS-Satelliten aus dem Blickwinkel von CHAMP am Erdhorizont verschwinden. Beim Durchlaufen der Atmosphärenschichten werden die Wege der GPS-Signale abhängig von Temperatur und Wasserdampfgehalt gekrümmt. Aus der präzisen Messung einer Serie von Brechungswinkeln während der GPS-Radiookkultation können mit mathematischen Verfahren die Atmosphäreneigenschaften mit hoher Genauigkeit berechnet werden.

Die CHAMP-Messungen schließen Lücken im globalen meteorologischen Beobachtungsnetz für Wettervorhersage und Klimaforschung, besonders über unzugänglichen Regionen der Erde, wie z.B. über den Ozeanen oder Polargebieten. Im Vergleich dazu ist die Stationsverteilung für den Start von Wetterballonen sehr ungleichmäßig. Die GPS-Radiookkultationstechnik ermöglicht im Gegensatz zu anderen Satellitenmethoden insbesondere die Erfassung von Klimatrends, die durch langfristige Veränderungen von Temperatur und Wasserdampf in verschiedenen Atmosphärenschichten über verschiedenen Regionen der Erde charakterisiert werden. Die Daten von CHAMP sind dabei der Beginn eines Datensatzes, der von einer Reihe anderer, 2006 gestarteten Satelliten fortgesetzt wird (U.S.-taiwanesische Mehrsatellitenmission FORMOSAT-3/COSMIC, europäischer MetOp).

Beispiele für klimarelevante Messungen von CHAMP sind globale Verteilungen des Wasserdampfes als wichtigstem Treibhausgas und der Tropopausenhöhe. Die Tropopause kennzeichnet die Obergrenze der erdnächsten Atmosphärenschicht, der Troposphäre, in der sich alle Wetterereignisse abspielen. Wissenschaftliche Studien zeigen, dass eine klimatische Erwärmung der Troposphäre zu einer größeren Tropopausenhöhe führt. Vieles deutet zurzeit darauf hin, dass Veränderungen in der Tropopausenregion ein klareres Klimasignal enthalten als Messungen an der Erdoberfläche.

Radiookkultationsdaten der deutschen Erdbeobachtungssatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X, die gegenwärtig vom GFZ analysiert werden, gehen Tag für Tag in die globalen Vorhersagen von Wetterzentren ein. Sie zählen zu den wichtigsten und genauesten Beobachtungen. Auch die Daten der deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO werden entsprechend verarbeitet.

Die Messungen des SAPOS-Stationsnetzes werden für regionale Vorhersagen, beispielsweise von Niederschlägen genutzt. Es gibt kein anderes Verfahren für die Wasserdampfbeobachtung, das die notwendigen Informationen in besserer räumlicher und zeitlicher Auflösung über Deutschland zur Verfügung stellen kann als GNSS mit den SAPOS-Bodenstationen.

GPS Radio-Okkultation Niedrigfliegende Satelliten empfangen GPS-Signale, welche die Atmosphäre durchquert haben. Daraus lassen sich die Temperaturschichtung und die Höhe von Druckflächen sehr genau berechnen. Beispielsweise nutzte CHAMP die Signale der GPS-Satelliten zur Temperatur- und Wasserdampfmessung an täglich über 200 global verteilten Orten von der Erdoberfläche bis in 40 km Höhe. Die Signale werden dabei immer dann aufgezeichnet, wenn die GPS-Satelliten aus dem Blickwinkel von CHAMP am Erdhorizont verschwinden. Beim Durchlaufen der Atmosphärenschichten werden die Wege der GPS-Signale abhängig von Temperatur und Wasserdampfgehalt gekrümmt. Aus der präzisen Messung einer Serie von Brechungswinkeln während der GPS-Radiookkultation können mit mathematischen Verfahren die Atmosphäreneigenschaften mit hoher Genauigkeit berechnet werden. Quellen: idw, GFZ

Beispiele von Radiookkultationsmissionen:

• FORMOSAT-3/COSMIC
• CHAMP (M. b.)
• GRACE (M. b.)
• GRAS auf MetOp
• REX on New Horizons

Einsatz-Beispiele für Radiookkultationen:

• Titanatmosphäre
  Die Raumsonde Voyager 1 stellte mit Hilfe der Radio-Okkultation beim Saturnmond Titan die Dichte, die chemische Zusammensetzung und die Höhe seiner Atmosphärenschichten fest.
• Bestimmung des Durchmessers von Titan
  Auch der Monddurchmesser konnte mit Hilfe der Okkultationsmethode bestimmt werden. Die hohe Opazität (Undurchsichtigkeit) der Atmosphäre machte eine optische Bestimmung des Monddurchmessers mit der Kamera nicht möglich, jedoch konnte durch die Zeit, die vom Verlöschen des Signals an einer Seite des Mondes bis zum Wiederauftauchen des Signals an der gegenüberliegenden Mondseite verging, sein Durchmesser errechnet werden.
• GPS-Radiookkultation
  Der deutsche Geoforschungssatellit CHAMP (2000-2010) beobachtete die Signale von GPS-Satelliten kurz vor oder nach ihrer Okkultation durch die Erde. Aus dem Vergleich mit den Werten, die von einem Satelliten ohne atmosphärische Störungen zu erwarten wären, lassen sich Aussagen über Wassergehalt und Temperatur der Atmosphäre ableiten.

Weitere Informationen:

• GNSS-Radiookkultation: Globale atmosphärische Klimauntersuchungen mit Signalen von Navigationssatelliten (GFZ)