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)