Lexikon der Fernerkundung

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_20102011Nov_L,0 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_lres 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.

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