Lexikon der Fernerkundung

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C-Band

Frequenzbereich von 8 bis 4 Ghz (3,75 bis 7,5 cm Wellenlänge; Angaben schwankend) innerhalb des Mikrowellensegments des elektromagnetischen Spektrums. C-Band-Anwendungen finden sich auf einigen experimentellen flugzeuggetragenen SAR-Systemen, wie auch bei satellitengestützten SAR-Systemen wie den SAR-Systemen auf den europäischen ERS-1, ERS-2 und ENVISAT und dem kanadischen RADARSAT. Die Wellenlänge dieser Systeme beträgt etwa 5,6 cm, was sich für die Meereisüberwachung wie auch bei anderen Anwendungen als hilfreich erwiesen hat. Mit C-Band ausgerüstete abbildende Radare werden i.a. nicht durch atmosphärische Effekte behindert und können auch durch tropische Wolken und Regenschauer "hindurchsehen". Ihre Durchdringungsfähigkeit in Bezug auf Vegetationsbedeckung oder Böden ist allerdings auf die oberen Schichten begrenzt. Das C-Band wird u.a. auch bei Raketenleitsystemen eingesetzt.

Cal/Val-Phase

Phase zu Beginn einer Satellitenmission, in der die Instrumentennutzlast kalibriert und die Datenauswertung verifiziert wird.

CALIOP

Engl. Akronym für Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization; in zwei Wellenlängenbereichen arbeitendes Lidar-Instrument an Bord von CALIPSO. CALIOP liefert hochaufgelöste Vertikalprofile des atmosphärischen Aerosols und der Bewölkung. Deren noch wenig bekannte Einfluss auf die Strahlungbilanz der Erde wird durch die erwarteten Daten voraussichtlich besser verstanden, und damit auch ihr Potential für die globale Klimaveränderungen.

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CALIPSO

Engl. Akronym für Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations; vormals unter der Bezeichnung PICASSO-CENA geführte Mission von NASA und CNES zur Ermittlung von Daten bzgl. Aerosol- und Wolkeneigenschaften mit dem Ziel verbesserter Klimavorhersage. Der Satellit befindet sich auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn in 705 km Höhe bei einer Inklination von 98,2°. Seine Umlaufdauer beträgt knapp 99 min. CALIPSO führt ein Polarisations-empfindliches LIDAR als Hauptinstrument mit, ferner ein abbildendes Infrarot-Radiometer (IIR) und eine Weitwinkelkamera. CALIPSO ist Bestandteil des auf Synergieeffekte ausgelegten A-Trains. Der Start erfolgte zusammen mit CloudSAT am 28.4.2006 auf einer zweistufigen Delta II-Rakete. Die Missionsdauer wurde inzwischen bis Ende 2023 verlängert.

CALIPSO repräsentiert die jüngste Generation von Missionen zur Klimabeobachtung und umfasst dabei modernste Untersuchungen von Wolken Aerosol. Dadurch wird unsere Fähigkeit, den Klimawandel besser vorhersagen und unsere Atemluft studieren zu können, deutlich verbessert.

Im April 2010 spürte Calipso über Frankreich Aschepartikel auf, die vom isländischen Vulkan Eyjafjallajokull ausgestoßen worden waren. (Vgl. Abb.)

CALIPSO
Calipso - Aschepartikel von Eyjafjallajokull Quelle: NASA

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CAMS

Engl. Akronym für Copernicus Atmosphere Monitoring Service, dt. Copernicus-Atmosphärenüberwachungsdienst; einer von sechs Diensten des Copernicus-Programms der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), betrieben vom Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW). Er wurde am 11. November 2014 gestartet und liefert kontinuierlich und kostenlos Daten und Produkte zum Zustand der Atmosphäre. Die Produkte werden aus der bestmöglichen Kombination von Satellitenbeobachtungen, In-situ-Messungen (z.B. Ballonsonden) und Modellrechnungen gewonnen.

Der CAMS-Dienst unterstützt Entscheidungsträger, die Zusammensetzung der Erdatmosphäre auf globaler und regionaler Ebene kontinuierlich zu überwachen. Von politischen Entscheidungsträgern werden diese Daten beispielsweise dazu genutzt, die Einhaltung des Montrealer Protokolls über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen, sicherzustellen. CAMS-Produkte umfassen die Beschreibung der aktuellen Situation (Analyse), die Vorhersage der Situation einige Tage im Voraus (Prognose) und die Bereitstellung konsistenter retrospektiver Datensätze für die letzten Jahre (Reanalyse). Auf Basis der Daten und Produkt können eigene Anwendungen zu atmosphärischen Fragestellungen, wie der lokalen Luftqualitätsanalyse und -vorhersage, entwickelt und operationell betrieben werden.

Das derzeitige Leistungsportfolio, auf das sich CAMS konzentriert, umfasst:

Der Service soll zukünftig um ein operationelles Treibhausgas-Überwachungssystem erweitert werden, z.B. um anthropogene CO2- und CH4- Emissionen flächenhaft und quantitativ besser erfassen zu können.

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CAPI

Engl. Akronym für computer assisted photo interpretation, dt. Computer unterstützte Bildinterpretation; franz. photo interprétation assistée par ordinateur; nach DIN 18716 ein "Verfahren, bei der die gewünschten Informationen aus Bilddaten rechnerisch mit interaktiven Eingriffen gewonnen und gespeichert werden".

Carbon Mapper

Carbon Mapper, Inc. ist eine gemeinnützige Einrichtung mit der Aufgabe, solche digitalen öffentlichen Güter bereitzustellen und deren Einführung zu begleiten, die rechtzeitige Maßnahmen zur Minderung der anthropogenen Auswirkungen auf das Klima und die Ökosysteme der Erde ermöglichen. Getragen von der Philanthropie hat Carbon Mapper eine breite und einzigartige Koalition von Akteuren aus dem privaten und öffentlichen Sektor zusammengebracht, die über das kombinierte Fachwissen und die Ressourcen verfügen, um einen wissenschaftlich fundierten, nachhaltigen und operationellen Entscheidungshilfedienst mit maximaler Wirkung zu entwickeln. Partner von Carbon Mapper sind Planet, das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, der Staat Kalifornien, die Universität von Arizona, die Arizona State University, RMI und philanthropischen Sponsoren.

Als Konsequenz hat Carbon Mapper ein Team von erstklassigen Wissenschaftlern und Ingenieuren zusammengestellt, um seine gemeinnützige Aufgabe der Methan- und CO2-Überwachung und -Minderung zu erfüllen. Dazu wird ein System zur Überwachung von Emissionen aus der Luft und dem Weltraum entwckelt. Zwei Demonstrationssatelliten sollen Anfang 2023 starten, bis 2025 soll eine voll funktionsfähige Konstellation aus vielen Satelliten entstehen.

Um den Weg für die Satelliten-Konstellation zu ebnen, führt Carbon Mapper mit luftgestützten Prototyp-Plattformen Fernerkundungsuntersuchungen von Methan-Punktquellen in wichtigen Regionen der USA durch. Seit 2016 zeigen ihre Flüge, dass Superemitter in allen Wirtschaftssektoren vorkommen. Einige der Datensätze wurden von Aufsichtsbehörden und Anlagenbetreibern genutzt, um die Reparatur von Lecks zu unterstützen.

Durch die Zusammenarbeit von JPL und Planet entstand eine einzigartige Lösung: eine hochempfindliche Nutzlast mit mittlerer Auflösung und wendige Satellitenplattformen, die die erforderliche Präzision (Nachweisgrenze), räumliche Abdeckung und zeitgerechte Datenaufnahme liefern können. Durch die kontinuierliche Verfolgung und Lokalisierung von Emissionen aus Punktquellen an einzelnen Anlagen soll Carbon Mapper andere Beobachtungssysteme ergänzen, die in der Lage sind, regionale Nettoemissionen und extrem große Punktquellen zu erfassen. Carbon Mapper erreicht diese Beobachtungsstrategie, indem die Satelliten damit beauftragt werden, Daten über vorrangige Gebiete zu erfassen, die auf einer Kombination aus Vorkenntnissen über die Standorte von Infrastrukturen und Nachverfolgung auf der Grundlage von "Tipps" anderer Satelliten beruhen, die für die Überwachung größerer Gebiete entwickelt wurden.

Im Gegensatz zu Kartierungssatelliten mit gröberer Auflösung ist jeder Carbon Mapper-Satellit darauf ausgerichtet, Gebiete mit hoher Priorität zu erfassen, die durch wichtige Infrastrukturen gekennzeichnet sind, wie z. B. Öl- und Gasproduktionsfelder, Pipelines, Raffinerien, Kraftwerke, Regionen mit großen Viehbeständen und städtische Gebiete, in denen Mülldeponien, Kläranlagen und Erdgasverteilungssysteme weit verbreitet sind. Bei den Carbon Mapper-Satelliten handelt es sich um die nächste Generation der bewährten SkySat-Satelliten von Planet, die über die nötige Flexibilität, Datenverarbeitungskapazität und Fähigkeit verfügen, die Nutzlast des JPL-Spektrometers aufzunehmen.

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CarbonSat

Bezeichnung für ein europäisches, von der Universität Bremen entwickeltes Satellitenkonzept, das auf der Aufnahme räumlich hochaufgelöster Bilder der Treibhausgase CO2 und Methan basiert. Mittels dieser Bilder können unter anderem die Abgasfahnen lokalisierter starker CO2-Quellen wie Kraftwerke, Industrieanlagen und Städte sichtbar gemacht und daraus deren Emissionen bestimmt werden. Dabei soll die Mission zwischen vom Menschen verursachten Treibhausgasen und natürlichen Quellen unterscheiden können.

Die neuen Copernicus CO2 Monitoring (CO2M)-Satelliten basieren auf dem CarbonSat-Konzept des Instituts für Umweltphysik (IUP) der Universität Bremen. Vorbereitende Erkentnisse lieferten der ebenfalls in Bremen unter der wissenschaftlichen Leitung von Professor John P. Burrows entwickelte Satellitensensors SCIAMACHY, der erstmals Kohlendioxid- und Methan Emissionen vom Weltraum aus bestimmt hat, sowie der erfolgreiche Einsatz von Flugzeugmessgeräten, wie z.B. den Methane Airborne Mapper (MaMap).

Die Europäische Weltraumagentur ESA hat im Sommer 2020 für den Bau der CO2M-Treibhausgas-Satelliten das Bremer Raumfahrtunternehmen OHB ausgewählt. Die Mittel für den Bau des entsprechenden Treibhausgas-Satelliten CO2M (CO2-Monitoring) werden im Rahmen des europäischen Copernicus-Programms bereitgestellt. Geplant ist eine Konstellation von mehreren CO2M-Satelliten, die ab 2025 in die Umlaufbahn gebracht werden sollen.

Siehe auch GOSAT, MicroCarb, OCO-2, TanSat

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CARTOSAT-1 (IRS-P5)

Indische Mission zur Ermittlung hochaufgelöster Daten (2,5 m) für Zwecke der Katasterkartierung, für digitale Gelände- und Höhenmodelle, Landnutzungskartierungen und diverse GIS-Anwendungen. CARTOSAT-1 trägt zwei panchromatische Kameras, die auch im Stereo-Modus eingesetzt werden können. Der Satellit umkreist die Erde seit Mai 2005 auf einer sonnensynchronen Bahn in 630 km Höhe, bei einer Inklination von 97,87°. Die Umlaufdauer beträgt 97,178 min.

Auf CARTOSAT-1 folgten die Missionen CARTOSAT-2 (Start 2007), CARTOSAT-2A (Start 2008), CARTOSAT-2B (START 2010) und CARTOSAT-2C (Start 2016), CARTOSAT-2D (Start 2017), CARTOSAT-2E (Start 2017), CARTOSAT-2F (Start 2018), CARTOSAT-3 (Start 2019).

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Cassini-Huygens

Die Cassini-Huygens-Mission war ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und der ESA zur Erforschung des Saturn und seiner Monde. Daten von Cassini-Huygens liefern möglicherweise auch Hinweise auf das Entstehen irdischen Lebens. Die Mission ist nach Jean Dominique Cassini (1625-1712), dem italo-französischen Astronomen benannt, der einige der Saturntrabanten und die große Lücke zwischen den Saturnringen B und A entdeckte (Cassini-Teilung) sowie nach dem Holländer Christiaan Huygens (1629-1695), der 1655 den Saturnmond Titan entdeckten und die Saturnringe beschrieb.

Die Cassinisonde mit dem Landemodul Huygens wurde im Oktober 1997 gestartet und hatte wegen eines erdnahen “Swingby-”Manövers zum Teil heftige Diskussionen ausgelöst, da die Energieversorgung des Raumschiffs durch eine Plutoniumbatterie gesichert wurde.

Cassini in der Integrationsphase Cassini in der Integrationsphase
Trennung des Landemoduls
Huygens vom Orbiter CassiniTrennung des Landemoduls Huygens vom Orbiter Cassini
Die Trabanten des Saturn
und seine RingstrukturDie Saturntrabanten und seine Ringstruktur
Die Reise von Cassini-Huygens Reise von Cassini-Huygens Quelle: ESA

Im Juni 2004 erreichte die Sonde den Saturnorbit, die von der ESA Huygens-Sonde landete im Januar 2005 auf Titan. Titan ist eines der geheimnisvollsten Objekte unseres Sonnensystems. Er ist der zweitgrößte Mond und der einzige mit einer dichten, methanreichen Stickstoffatmosphäre. Die Messdaten der einer fliegenden Untertasse ähnelnden Landesonde offenbarten eine eisige Landschaft auf Titan mit riesigen Seen aus Methan in der Nähe der Pole. Experten nehmen an, dass seine Atmosphäre derjenigen der jungen Erde ähnelt. Der 72-minütige Datenstrom, den Huygens nach seiner Landung sendete, verbesserte deutlich das Verständnis über den Mond. Auch der Cassini-Orbiter hat mit seiner umfangreichen Ausstattung an wissenschaftlichen Instrumenten viele neue, teils revolutionäre Erkenntnisse in Bezug auf Saturn und seine Monde geliefert. In den Folgejahren erforschte die Cassini-Sonde nach und nach die geheimnisvolle Welt des Saturn. Dabei lieferte sie nicht nur beeindruckende Bilder der Saturnringe, sondern präsentierte den Wissenschaftlern auch völlig unerwartete Forschungsergebnisse: Zu Cassinis spektakulärsten Entdeckungen zählt der Nachweis eines unterirdischen flüssigen Ozeans auf dem kleinen Saturnmond Enceladus.

Die Existenz flüssigen Wassers nährte die Vermutung, dass Enceladus oder auch Titan günstige Bedingungen für das Entstehen von Leben bieten könnten. Diese Entdeckungen von Cassini gaben auch den Ausschlag für das spektakuläre Ende der Mission - also den kontrollierten Absturz der Sonde in die Saturnatmosphäre.

NASA-Angaben zufolge war es durchaus denkbar, dass irdische Mikroben an Bord von Cassini die lange Reise durchs Weltall überlebt hatten. Der Sturzflug in den Gasplaneten bot somit die sicherste Möglichkeit einer "umweltschonenden" Entsorgung der Sonde, erklärte das Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS), an dem unter anderem ein Teilchendetektor von "Cassini" entwickelt wurde.

Die Mission wurde mehrfach verlängert, und am 15.9.2017 wurde Cassini schließlich in die Saturnatmosphäre gesteuert, wo sie verglühte und nach ihrer zwanzigjährigen Mission letztlich Teil des Planeten wurde.

Saturnringe cass_huyg_11_lres
Jupiter - Südpol cass_huyg_15 Quelle: DLR

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CAST

Engl. Akronym für China Academy of Space Technology; eines der wichtigsten chinesischen Raumfahrtzentren zu Forschung, Entwurf und Produktion von Raumfahrzeugen, ihrer Komponenten und Bodensegmente.

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CASTLE

Engl. Akronym für Computer Aided System for Teleinteractive Learning in Environmental Monitoring; ein von der Europäischen Kommission finanziertes und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln koordiniertes Projekt. Dessen Ziel ist die Erstellung eines Lehrgangs zur Einführung in die Fernerkundung in englischer Sprache. Dieser wird in einem Virtuellen Klassenraum im Internet zugänglich sein und für angemeldete Teilnehmer daneben auch in einem Tele-Klassenraum mit online-Kommunikation und der professionellen Bildverarbeitungssoftware ERDAS stattfinden. Das Konzept für CASTLE wurde vom Geographischen Institut der CAU zu Kiel erarbeitet, es ist auch Autor der Lektionen. Zielgruppe des Lehrgangs sind im Umweltbereich, etwa in Verwaltung und Landesämtern tätige erwachsene Berufstätige.

Die eigentlichen Projektinhalte werden über einen Web-Server bei der NLR in Holland bereitgestellt: http://castle.nlr.nl (Als Nutzernamen "student" eingeben und "OK" klicken, Passwort bleibt frei).

CATS

Engl. Akronym für Cloud-Aerosol Transport System; ein Lidar-Fernerkundungsinstrument, das von der International Space Station (ISS) aus profilierende Messungen des atmosphärischen Aerosols und der Wolken über die Dauer von mindestens sechs Monaten und bis zu drei Jahren durchführt. CATS wird unser Verständnis von Wolken- und Aerosoleigenschaften und deren Wechselwirkungen verbessern, sowie helfen, Klimamodelle zu optimieren. Die Realisierung von CATS soll auch niedrigpreisige und optimierte Möglichkeiten bei der Entwicklung von wissenschaftlichen ISS-Nutzlasten aufzeigen.

CATS besitzt einen Laser welcher mit drei Wellenlängen (1064, 532 und 355 nm) über die Rückstreueigenschaften der Atmosphärenpartikel z.B. die Höhe, Dicke und Tiefe von Wolken bestimmen soll. Die Eigenarten der ISS-Bahn ermöglichen es zudem, die Partikeldichten über einem Gebiet zu unterschiedlichen Tageszeiten zu erfassen. Die Schwebeteilchen in der Luft stammen von natürlichen Ereignissen wie Sandstürmen oder Vulkanausbrüchen, aber auch aus Industrie- und Verkehrsabgasen. Sie beeinflussen Wetter, Klima, bio-geochemische Prozesse, die Flugsicherheit und die menschliche Gesundheit allgemein.

CATS wurde am 10.1.2015 mit der wiederverwertbaren Raumkapsel Dragon zur ISS gebracht. Dort wurde das Instrument mit einem Roboterarm entladen und auf der Exposed Facility montiert. Diese Plattform ist an einem Ende des japanischen Forschungsmoduls Kibo montiert und nimmt zahlreiche Experimente auf, die im freien Weltraum arbeiten, d.h. an der Außenseite der ISS. Von dieser Stelle aus hat CATS freie Sicht auf die Erde und die dazwischen liegende Lufthülle.

Am 31. Oktober 2017 kam es bei CATS zu einem Stromausfall und die Tür der Hauptöffnung blieb offen. Da die Tür geschlossen bleiben muss, wenn sich das Instrument auf der hellen Seite der Erde in der Sonne befindet, war der Hauptspiegel beim Durchgang nach dem Ausfall auf die Sonne gerichtet und die Optik wurde verschmort. Am 14. Juni 2018 gelang es Andrew J. Feustel während eines Weltraumspaziergangs, die Blendenklappe zu schließen und mit Kabelbindern zu befestigen. CATS wurde auf SpaceX CRS-17 entsorgt, und durch OCO-3 ersetzt.

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CBERS

Engl. Akronym für China Brezil Earth Resources Satellite Program; ein Gemeinschaftsprojekt zwischen Brasilien und der Volksrepublik China, bei dem eine Reihe von Erdbeobachtungssatelliten entwickelt und betrieben werden. Ursprünglich war die Entwicklung und der Bau von zwei Satelliten vorgesehen. Der entsprechende Kooperationsvertrag wurde am 6. Juli 1988 unterzeichnet, wobei Brasilien 30 % Anteil an der Entwicklung haben sollte. Im Jahr 2002 einigte man sich auf drei zusätzliche Satelliten und einen Ausbau des Anteils von Brasilien auf 50 % bei CBERS-3 und -4. Beide Länder haben gemeinsam Zugriff auf die Bilder. Brasilien stellt sie im Internet nach Registrierung frei zur Verfügung (INPE Image Catalog).

Die Satelliten sollen in wichtigen Bereichen Überwachungsdaten liefern, so für Abholzung und Feuer in der Amazonas-Region, Wasserressourcenverbrauch, städtisches Wachstums, Bodennutzung, Bildung und andere Anwendungen. In groß angelegten Projekten werden u.a. die Entwaldung des Amazonas-Tieflandes dokumentiert (PRODES) oder die Zuckerrohr-Anbauflächen überwacht (CANASAT).

Der erste Satellit der Serie (CBERS-1) wurde am 14. Oktober 1999 erfolgreich gestartet. Er wird manchmal auch mit der chinesischen Bezeichnung Ziyuan 1 (ZY 1) referenziert und blieb bis zum August 2003 funktionsfähig, wobei er seine geplante Lebensdauer von zwei Jahren erheblich übertraf. Der zweite Satellit (CBERS-2) wurde am 21. Oktober 2003 und der dritte (CBERS-2B) am 19. September 2007 gestartet. Alle Satelliten wurden von chinesischen Langer-Marsch-4B-Raketen vom Kosmodrom Taiyuan in einen sonnensynchronen Orbit in etwa 778 km Höhe und eine Inklination von etwa 98,5° gebracht.

CBERS-1 und 2 sind identische Satelliten. Sie haben für die Fernerkundung der Erde drei Multispektralkameras an Bord. CBERS-2B ist ähnlich aufgebaut wie die ersten beiden Satelliten, verfügt jedoch über eine neue Kamera High Resolution Panchromatic Camera (HRC). Weiterhin wurden ein GPS-Modul sowie ein Sternsensor für die Lageregelung eingebaut.

Die Satelliten CBERS-3 und CBERS-4 verfügen über verbesserte Kameras und Übertragungssysteme. CBERS-3 wurde am 9. Dezember 2013 gestartet, ging beim Start jedoch verloren. Der Start von CBERS-4 erfolgte am 7. Dezember 2014. China und Brasilien starteten Ende 2019 einen sechsten CBERS-Satelliten (CBERS-4A).

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CCD

Engl. Akronym für Charge Coupled Device, dt. ladungs(träger)gekoppelte(s) Bauelement/Schaltung; flächen- oder zeilenhaft angeordnete Sensorelemente in opto-elektronischen Abtastern mit hoher Lichtempfindlichkeit zur Bildaufnahme von Flugzeugen oder Satelliten aus. Die integrierten Schaltkreise der CCDs bestehen aus dicht angeordneten Photodioden, die Licht (Photonen) in elektrische Ladung umwandeln. Die Erfassung der flächigen Verteilung von Licht erfordert CCD-Elemente (Pixel) in geordneter Form.

Bauweise eines Charge Coupled Device Bauweise eines Charge Coupled Device Quelle: National High Magnetic Field Laboratory

Ursprünglich wurden 1969 CCDs für die Datenspeicherung entwickelt. Jedoch wurde schnell bemerkt, dass diese Bauelemente lichtempfindlich sind und es vergleichsweise einfach ist, ein zweidimensionales Bild zu erfassen. Bereits 1970 wurde ein solcher CCD-Sensor gebaut, und 1975 wurden die ersten CCDs mit einer für Fernsehkameras ausreichenden Anzahl an Bildpunkten hergestellt. Seit ca. 1983 werden CCD-Sensoren als Bildsensoren in der Astronomie und der Satellitenfernerkundung eingesetzt.

CCDs sind Halbleiterelemente, die gewöhnlich in einer linearen (Scanner) oder flächigen Anordnung (Video, Digitalkamera) ausgerichtet sind. Sie bestehen aus Ketten von Kondensatoren, in welchen durch Belichtung Ladungen erzeugt werden; flächenhafte Anordnungen von CCDs kommen insbesondere in digitalen Kameras und in der Fernsehtechnik vor, in der Fernerkundung bei manchen Arten von Abbildenden Spektrometern. CCDs erzeugen Bilddaten.

Anordnung der Fotodioden in einem CCD Anordnung der Fotodioden in einem CCD Quelle: Olympus Lifescience

Der Vorteil dieser Aufnahmetechnik ist, dass eine gesamte Bildzeile gleichzeitig erfasst wird und nicht wie bei opto-mechanischen Systemen ein Zeitversatz entsteht. Durch die Vorwärtsbewegung der Plattform wird Zeile um Zeile lückenlos und überdeckungsfrei senkrecht zur Flugrichtung abgetastet.

CCD-Sensoren können sowohl für sichtbare Wellenlängen als auch für Nah-Infrarot-, UV- und Röntgen-Bereiche hergestellt werden. Dadurch erweitert sich das Spektrum für Sonderanwendungen von 0,1 pm bis auf etwa 1100 nm. Die Grenze zu langen Wellenlängen hin ist durch die Bandlücke des Halbleitermaterials begrenzt (ca. 1,1 eV für Si und 0,66 eV für Ge). Sie sind daher vielfältig in Naturwissenschaften und Technik verwendbar. Vor allem in der Astronomie haben sie andere Bildempfänger, wie Fotoplatten, schon früh weitgehend verdrängt, da sie durch ihre hohe Empfindlichkeit auch die Beobachtung sehr lichtschwacher Objekte erlauben. Weitere Vorteile sind ihre breite spektrale Empfindlichkeit, ihr hoher Dynamikumfang (also die Fähigkeit, gleichzeitig sehr lichtschwache und sehr helle Bereiche eines Bildes zu erfassen) und die Tatsache, dass die Bildinformationen digital anfallen, was zum Beispiel bei der Fotometrie (Helligkeitsmessung) und der Anwendung ausgefeilter Bildbearbeitungsmethoden von Vorteil ist.

CCD-Detektor

Kamera, die einen CCD-Chip als Fotodetektor verwendet. Einige wichtige Vorteile von CCDs gegenüber chemischen Aufnahmeverfahren:

CCD-Kameras haben z.B. in der Astronomie gegenüber Fotoplatten noch immer den Nachteil, dass sie nur sehr kleine Flächen abdecken können, meist wenige Quadratzentimeter. Fotoplatten gibt es deutlich grösser.

CCRS

Engl. Akronym für das frühere Canada Centre for Remote Sensing; kanadisches Fernerkundungszentrum mit empfehlenswertem Web-Auftritt. Das CCRS ist in das Canada Centre for Mapping and Earth Observation (CCMEO) übergegangen. Es gibt dort weiterhin das Tutorial Fundamentals of Remote Sensing.

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CDTI

Span. Akronym für El Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial; Forschungsförderungsgesellschaft des spanischen Staates, die spanische Unternehmen bei der Teilnahme an europäischen Programmen, beispielsweise dem Forschungsrahmenprogramm der europäischen Kommission, den Programmen der ESA, ESRF oder CERN unterstützt.

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Ceilometer

Bodengestütztes Messgerät zur Bestimmung der Wolkenuntergrenze, bei dünneren Wolken auch für die Struktur der unteren Wolkenschicht zu meteorologischen oder aeronautischen Zwecken. Mit Hilfe eines Ceilometers lassen sich fortlaufende Messungen dieser Parameter durchführen.

Standardmäßig werden heute auf einer bestimmten Wellenlänge arbeitende Laser-Ceilometer bzw. Laser-Ceilographen eingesetzt. Der Laser-Ceilograph misst die Laufzeit eines vom Boden senkrecht nach oben ausgesandten Lichtpuls eines Lasers zur Wolkendecke und zurück (Pulslaufzeitverfahren). Aus der Laufzeit und der Lichtgeschwindigkeit kann dann die Höhe der Wolken berechnet werden (optische Abstandsmessung).

Die Instrumente sind typischerweise mit einer Verarbeitungseinheit ausgestattet, die einen Himmelszustandsalgorithmus ausführt und zumindest Kondensationsniveaudaten bereitstellt. Diese Systeme wurden im Verlauf der letzten Jahre um eine Vielzahl von Funktionen erweitert, die aufgrund der in der Mikroprozessor- sowie der Mikropulsarlaser- und Glasfasertechnik erzielten Fortschritte verfügbar geworden sind und zunehmend für wissenschaftliche Anwendungen wichtig sind. In Verbindung mit Netzwerkanordnungen ist damit ein einzigartiges Werkzeug zur Untersuchung von z. B. Aerosolen verfügbar.

ceilometer_1 Laser-Ceilometer CHM15K (Fa. JENOPTIK)

Innerhalb eines Messbereiches von bis zu 15 000 Meter detektieren die CHM 15k Ceilometer zuverlässig mehrere Wolkenschichten und Zirruswolken. Neben dem Standardgerät CHM 15k steht das für bodennahe Aerosolauswertungen optimierte Gerät CHM 15k-x zur Verfügung.

Wie ein Lidar sendet das Ceilometer kurze Laserpulse in die Atmosphäre, die an Molekülen und Partikeln zurück gestreut werden. Über die Laufzeit des Lichts lässt sich deren Entfernung, über die Rückstreu-Intensität ihre Konzentration und die optischen Eigenschaften bestimmen. Daraus lassen sich u.a. Wolkenhöhen, die Höhe der planetaren Grenzschicht und die vertikale Aerosolverteilung ableiten. Das Gerät verwendet einen diodengepumpten Nd:YAG Laser bei einer Wellenlänge von 1064 nm und erreicht ca. 8µJ/Puls bei einer Pulsrate von 5-7 kHz.  Die zurück gestreute Strahlung wird mit einem Newton-Teleskop aufgefangen und durch einen schmalbandigen Interferenzfilter auf eine Photodiode fokussiert, die im Photonzählmodus betrieben wird. Die vertikale Auflösung beträgt 15 m.

Quelle: DWD

Ceilometer werden z. B. bei der Flugsicherung eingesetzt, um Piloten für den Landeanflug eine Abschätzung der Sichtverhältnisse in Nähe der Landebahn zu ermöglichen.

Die Höhe der Wolkenuntergrenze ist auch für das Verständnis des Strahlungshaushaltes der Erde und für die Entwicklung von Wolkenmodellen von großer Bedeutung. Mittels LIDAR können außerdem wichtige Informationen über die Wolkenstruktur gewonnen werden.

Ceilometer werden auch für die Wolkenforschung verwendet, bedingt durch die geringe Impulsleistung sind sie aber bezüglich der Eindringtiefe in die Wolken beschränkt. Bei gewissen Schnee- und Eiswolken können jedoch manchmal auch Eindringtiefen von bis zu 2 km beobachtet werden.

Die Darstellungsart der Ceilometer-Daten sind farbcodierte Höhenprofile über der Zeit, die zeitliche Auflösung beträgt 15 Sekunden.

Gegenüber den operationell eingesetzten Ceilometern ist ein weiteres Verfahren, das Wolkenradar, (bislang) eher ein Forschungsinstrument. Es hat eine teilweise andere Charakteristik, da es z.B. die Wolkendecke durchdringen, und damit auch deren Obergrenze bestimmen kann.

Veraltet ist die impulsoptische Höhenmessung. Dazu wird ein Lichtimpuls auf die Wolkenschicht ausgesendet. Der (für das menschliche Auge - im Gegensatz zum Wolkenscheinwerfer - nicht sichtbare) Widerschein des Lichtimpulses wird dann durch einen mit einer Photozelle ausgestatteten Parabolspiegel aufgefangen. Parallel wird mit einem optischen Messgerät die senkrecht stehende Ebene des Lichtstrahls abgetastet und der Winkel zwischen der Horizontalen sowie der Achse zwischen Messgerät und Lichtfleck bestimmt. Daraus lässt sich trigonometrisch die Wolkenhöhe bestimmen.

Anstelle des üblichen Wechsellichts wird bei diesem Verfahren Impulslicht sehr hoher Spitzenleuchtdichte (Edelgasfunkenstrecken) benutzt. Die Impulsspitzen sind gegenüber dem Tagesgleichlicht hoch und gewährleisten eine zuverlässige vollautomatische Registrierung von Wolkenhöhen und eine Beurteilung von Wetterentwicklungen. Die Messhöhe hängt von der Wolkenart ab. Es wird sowohl die Wolkenuntergrenze wie der Wolkencharakter aufgezeichnet.

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Centre Spatial Guyanais (CSG)

Das Raumfahrtzentrum Guayana bei Kourou in Französisch-Guayana ist Europas wichtigster Weltraumbahnhof. Von hier aus starten seit 1979 die Ariane-Raketen des Raumtransportunternehmens Arianespace. Es existieren ferner Startanlagen für Sojus-Raketen, sowie für die Vega. Hausherr des Geländes ist die französische nationale Raumfahrtagentur CNES.

Nach der russischen Invasion der Ukraine werden die vom europäischen Startdienstleister Arianespace und dem europäisch-russischen Unternehmen Starsem durchgeführten Sojus-Flüge auf unbestimmte Zeit ausgesetzt. Arianespace teilte Anfang März 2022 mit, man respektiere mit großer Gewissenhaftigkeit die Sanktionen, die von der internationalen Gemeinschaft beschlossen wurden. Die russische Raumfahrtbehörde Roskosmos hatte kurz nach Beginn des Kriegs in der Ukraine angekündigt, ihr Personal von Kourou abzuziehen.

Das CSG ist durch seine Lage einer der am günstigsten gelegenen Startplätze der Welt. Es ist nur 500 km vom Äquator entfernt (5°3' nördliche Breite). Diese äquatornahe Lage hat einige Vorteile:

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Karte der Infrastruktur der Ariana- und Vega-Startrampen auf dem Weltraumbahnhof Kourou, Französisch-Guayana (2009)

Mit seiner Lage von 5°3' N und einer großen freien Fläche in Richtung Osten über dem Atlantik bietet der Raumfahrtbahnhof in Guyana beste geographische Bedingungen für Raketenstarts.

Das Centre Spatial Guyanais (CSG) enthält die folgende Elemente:

  • das Technikzentrum mit dem Kontrollzentrum Jupiter und dem Weltraum-Museum
  • die Vorbereitungskomplex für die Nutzlasten (EPCU)
  • die Startkomplexe (ELA)
  • die Zusammenbau- und Versuchseinrichtungen für die ARIANE 5
  • die Ortungs- und Fernmessungseinrichtungen für die ARIANE
  • das Satellitenkontrollzentrum der ESA DIANE
  • weitere Technikeinrichtungen des Zentrums.
Quellen: Wikipedia - CNES

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CEO

Engl. Akronym für European Centre for Earth Observation, ein Programm der EU zur Förderung des Einsatzes von Erderkundungsdaten. Das Information on Earth Observation-System innerhalb der CEO bietet Informationen und Datenzugang.

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CEOS

Engl. Akronym für Committee on Earth Observation Satellites; 1984 gegründeter Ausschuss der meisten zivilen Raumfahrtagenturen zur Koordinierung von Erdbeobachtungsmissionen und zur Interaktion zwischen den Agenturen und einem weltweiten Nutzerkreis. In diesen Funktionen gilt das CEOS als bedeutendstes Forum.

Gegenwärtig hat CEOS zwei beständige Arbeitsgruppen:

  1. die Working Group on Information Systems and Services (WGISS) mit dem Ziel der Koordinierung und der Standardisierung des Umgangs mit Fernerkundungsdaten, um den Datenzugang zu erleichtern und ihren Nutzeffekt zu erhöhen,
  2. die Working Group on Calibration and Validation (WGCV) mit der Aufgabe die Qualität, Genauigkeit und Langzeit-Verfügbarkeit von Erderkundungsdaten sicher zu stellen.

Als aktuelle und umfassende Zusammenstellung der Pläne der CEOS Agency gibt es das CEOS Earth Observation Handbook. Der Bericht ist eine praktische Referenzquelle für aktuelle und zukünftige zivile Erdbeobachtungsprogramme. Er enthält auch Einzelheiten zu den Kontaktstellen innerhalb von CEOS und listet Internetquellen für weitere Informationen auf.

Die vollständigen Texte des Handbuchs sind online verfügbar. Die Datenbank der Satellitenmissionen, -instrumente, -messungen und -agenturen ist unter http://database.eohandbook.com online und enthält leistungsstarke Such- und Präsentationswerkzeuge mit der Möglichkeit, kundenspezifische Tabellen und Zeitleisten zur Unterstützung von Analysen der aktuellen und geplanten Bereitstellung von Beobachtungen zur Unterstützung verschiedener Anwendungen und Messungen zu exportieren.

In Teil I des Handbuchs werden die Veränderungen im Erdsystem in den 20 Jahren seit Rio erörtert und die Ursachen, Auswirkungen und Trends untersucht (Abschnitt 1). Es erklärt die wichtige Rolle der Satelliten-Erdbeobachtung (Abschnitt 2) und des CEOS (Abschnitt 3). Zukünftige Herausforderungen werden in Abschnitt 4 erörtert.

Teil II präsentiert eine Reihe von Fallstudien (Abschnitt 5), um den Einsatz von Erdbeobachtungssatelliten zu veranschaulichen, die die Bereitstellung von Informationen für unser Verständnis in Schlüsselbereichen unterstützen.

Teil III fasst die Fähigkeiten und Pläne von Erdbeobachtungssatelliten zusammen, einschließlich einer Beschreibung der verschiedenen Arten von Satellitenmissionen und -instrumenten und ihrer Anwendungen (Abschnitt 6). Für diejenigen, die an bestimmten Messungen (z.B. von Ozon oder Meerestemperatur) interessiert sind, enthält Abschnitt 7 Einzelheiten zu 27 verschiedenen Parametern und die Pläne für deren Beobachtung in den kommenden Jahrzehnten. Die Abschnitte 8 und 9 enthalten Kataloge von Satellitenmissionen und -instrumenten.

The CEOS Earth Observation Handbook ceos_eo_handbook_titel Quelle: CEOS / ESA

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CERES

Engl. Akronym für Clouds and the Earth's Radiant Energy System; für das Erdbeobachtungssystem der NASA (EOS) entwickelte Radiometer, die in drei Kanälen das von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenlicht, die von der Erde emittierte thermische Strahlung sowie die Gesamtsumme der Strahlung vom oberen Rand der Atmosphäre bis zur Erdoberfläche messen: Ein Kurzwellenkanal (0,3 - 5,0 µm) zur Messung des reflektierten Sonnenlichts, ein Langwellenkanal, um die von der Erde emittierte Thermalstrahlung im 8-12 µm-Fenster zu messen und ein Breitbandkanal, um alle Wellenlängen zu erfassen.

Aus diesen Daten werden Informationen über den Strahlungshaushalt der Erde gewonnen. Die Instrumente ermitteln auch die Wolkeneigenschaften einschließlich ihrer Ausdehnung, Höhe, Mächtigkeit und Partikelgröße. Diese Messungen sind für das Verständnis der globalen Klimaveränderungen von entscheidender Bedeutung sowie für die Verbesserung von Klimamodellen. CERES-Instrumente sind installiert auf den Satelliten von TRMM und EOS (Terra, Aqua) und stellen eine Weiterentwicklung von ERBE dar.

Kurzwellenbereich

Kurzwellenbereich

Langwellenbereich

Langwellenbereich
Von TRMM-CERES-Daten abgeleitete Strahlungsanomalien
während eines ENSO-Ereignisses
(Januar 1998 minus Januar 1985-89)

Globale Beobachtungen der Bewölkung und der Strahlung tragen zu einer verbesserten wissenschaftlichen Fundierung von saisonalen bis interannuellen Klimavorhersagen bei.

Beispielsweise zeigen frühe CERES-Daten von TRMM, dass ENSO (https://www.enso.info) ein markantes Strahlungsmuster über dem Pazifikbecken aufweist, begleitet von hochreichender Konvektion über dem tropischen Ostpazifik und deutlich klarerem Himmel über dem tropischen Westpazifik.

Starke Strahlungsanomalien im kurzwelligen und langwelligen Bereich wurden in der Spätphase des ENSO-Ereignisses von 1997/98 beobachtet (d.h. im Vergleich zu einem mit ERBE ermittelten 5-jährigen Mittel). Die Strahlungscharakteristika sind eng mit Ausmaß, Art und Mächtigkeit der Bewölkung korreliert.

Quelle: NASA

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CGMS

Engl. Akronym für Coordination Group for Meteorological Satellites; 1972 gegründete Koordinierungsgruppe für Wettersatelliten. Dazu trafen sich Vertreter der European Space Research Organisation (1975 in ESA umbenannt), Japans, der USA und Beobachter der WMO und des Joint Planning Staff for the Global Atmosphere Research Programme in Washington um Fragen der Kompatibilität von geostationären Wettersatelliten zu besprechen.

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CHAMP

Engl. Akronym für Challenging Mini-Satellite Payload for Geophysical Research and Application; abgeschlossenes deutsches Satellitenprojekt zur Bestimmung des Gravitationsfeldes und des Magnetfeldes der Erde, zur Präzisierung des Geoids, zur Ermittlung der Verteilung von Temperatur, Feuchte und Druck in Troposphäre und Stratosphäre sowie der Elektronendichte in der Ionosphäre. Für diese Aufgaben wurden folgende Instrumente eingesetzt:

Das Erdmagnetfeld löste CHAMP mit einer Genauigkeit von etwa 0,5 Nanotesla auf. Zum Vergleich: Das Magnetfeld auf der Erdoberfläche beträgt ca. 30 µT. Das Schwerefeld erfasste der Satellit mit einer Präzision von ca. 0,0005 µm/s², entsprechend einer detektierbaren Höhenvariation von 1 mm. Zum Vergleich: die Erdbeschleunigung auf der Oberfläche beträgt fast 10 m/s². Die Ortsauflösung beträgt zwischen 100 und 200 km.

Der Satellit wurde im Juli 2000 von Plessetsk aus auf seine geneigte (87°), nicht-sonnensynchrone Umlaufbahn in 470 km Höhe gebracht. Am 19. September 2010 - nach mehr als dem doppelten der eigentlichen Missionszeit - verglühte CHAMP bei einem kontrollierten Wiedereintritt in die Erdatmosphäre.

CHAMP maß das Erdschwere- und -magnetfeld und ermittelte globale vertikale Temperatur- und Wasserdampfverteilungen aus GPS-Radiookkultationsmessungen. CHAMP wird als 'Gründervater' einer ganzen Generation von Satelliten und Satelliten-Messverfahren gesehen. Mit seinen hochgenauen, multifunktionalen, sich ergänzenden Nutzlastelementen (Magnetometer, Akzelerometer, Sternsensor, GPS-Empfänger, Laser-Retroreflektor, Ionendriftmeter) lieferte CHAMP erstmalig gleichzeitig hochgenaue Schwere- und Magnetfeldmessungen. Das erste Nachfolgeprojekt GRACE ist bereits am 17.3.2002 gestartet, das zweite Folgeprojekt GOCE am 17.3.2009.

CHAMP im All
Quelle: DLR / Airbus D&S

Von CHAMP aus gesehen, geht immer gerade einer der 24 GPS-Satelliten hinter der Erde unter. Durch die Atmosphäre wird das Signal dieses Satelliten zu CHAMP hin gebogen. Der Brechungsindex jedes Mediums hängt ab von seiner optischen Dichte.

Die Dichte der Atmosphäre wiederum hängt ab von der Temperatur und dem Wasserdampfgehalt. Aus der Brechung des GPS-Signals lässt sich das vertikale atmosphärische Profil der Temperatur und der Feuchte bestimmen.

Prinzip der CHAMP-Okkultationsmessung Prinzip der CHAMP-Okkultationsmessung Quelle (Grafik): GFZ Potsdam

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Change Detection

Engl. für Veränderungsdetektion, -erkennung; Verfahren der Fernerkundung zur Erfassung und Kartierung von Veränderungen des Zustandes der Erdoberfläche oder von dort befindlichen Objekten bzw. Phänomenen durch den Vergleich multitemporaler Bilddaten. Die Erfassung und Kartierung dieser von unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten abgeleitete Veränderungen kann dabei sowohl visuell erfolgen (visuelle Bildinterpretation) als auch unter Zuhilfenahme von Verfahren der digitalen Bildverarbeitung.

Das Beispiel Aralsee

Die Umleitung von Zuflüssen hat dazu geführt, dass der Aralsee in Zentralasien in den letzten fünf Jahrzehnten erheblich geschrumpft ist. Er ist in mehrere kleinere Seen zerfallen und hat eine riesige Wüste und eine Vielzahl von ökologischen, wirtschaftlichen und sozialen Problemen hinterlassen.

Obwohl die Bewässerung die Wüste zum Blühen brachte, zerstörte sie den Aralsee. Die folgende Bilderserie des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) auf dem NASA-Satelliten Terra dokumentiert die Veränderungen. Ergänzt wird die MODIS-Serie durch die SW-Aufnahme eines Spionage-Satelliten aus der Reihe ARGON KH-5, allerdings mit mäßiger Aufklösung.

Zu Beginn der Serie im Jahr 2000 war der See bereits ein Bruchteil seiner Ausdehnung von 1960 (gelbe Linie). Der nördliche Aralsee (manchmal auch Kleiner Aralsee genannt) hatte sich vom südlichen (Großen) Aralsee getrennt.

Jüngste Sanierungsmaßnahmen zeigen, dass sich die Fischereiindustrie im heutigen Nord-Aralsee wieder erholt hat, was möglicherweise auf eine Wende zum Besseren hindeutet, aber dies ging auf Kosten des Süd-Aralsees. Auch wenn der Wasserstand des Aralsees möglicherweise nie wieder das Niveau von vor 1960 erreichen wird, gibt die grenzüberschreitende Zusammenarbeit bei der Umsetzung und Einhaltung von Schutzmaßnahmen und -aktivitäten eine gewisse Hoffnung für das Überleben des Aralsees und trägt dazu bei, den Lebensunterhalt der Menschen in seinem Umfeld zu sichern.

Um die Herausforderungen der Bodendegradation und Wüstenbildung in der Aralsee-Region zu bewältigen, wurde die Global Disruptive Tech Challenge 2021 für die Wiederherstellung von Land von Dutzenden internationaler Organisationen ins Leben gerufen. Anfang April 2021 wurden in einer virtuellen Zeremonie, die von der Weltbank ausgerichtet wurde, vier Projekte mit dem Hauptpreis ausgezeichnet. Die Siegerprojekte konzentrieren sich auf die Bereiche Landwirtschaft und Landmanagement, nachhaltige Forstwirtschaft, sozioökonomische Entwicklung sowie Informations- und Wissensaustausch. Sie erhalten Patenschaften und Unterstützung für die Umsetzung ihrer Beiträge zur Wiederherstellung der Umwelt in der Aralsee-Region.

Ein umfangreiches Bewässerungsprojekt vor allem zum Baumwollanbau in der Wüste Kysylkum (Zentralasien) hat den Aralsee seit den 1960er Jahren zerstört. Vor dem Projekt flossen der Syr Darya und der Amu Darya von den Bergen herab, durchschnitten die Kyzylkum-Wüste in nordwestlicher Richtung und sammelten sich schließlich im untersten Teil des Beckens. Der See, den sie bildeten, der Aralsee, war einst der viertgrößte der Welt.

Die Bilder zeigen die fortschreitende Schrumpfung des südlichen Aralsees seit 2000 (1964), wie auch die leichte Erholung des nördlichen Teils in den vergangenen Jahren.

Mit dem Austrocknen des Aralsees brachen die Fischerei und die von ihr abhängigen Gemeinden zusammen. Das zunehmend salzige Wasser wurde durch Düngemittel und Pestizide verschmutzt. Der vom freigelegten Seeboden aufgewirbelte Staub, der mit landwirtschaftlichen Chemikalien kontaminiert war, wurde zu einer Gefahr für die öffentliche Gesundheit.

Der salzige Staub wurde vom Seeboden weggeweht und setzte sich auf den Feldern ab, wodurch der Boden geschädigt wurde. Die Anbauflächen mussten mit immer größeren Mengen Flusswasser gespült werden. Durch den Verlust des mäßigenden Einflusses eines so großen Gewässers wurden die Winter kälter und die Sommer heißer und trockener.

Der schrumpfende Aralsee

Aralsee (22.8.1964) Aralsee 1964

Aralsee (19.8.2000) Aralsee 2000

Aralsee (15.8.2011) aralsea_tmo_2011227_front

Aralsee (19.8.2014)
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Aralsee (20.8.2018)
Aralsee 2018

Aralsee (28.-30.7.2023)
Aralsee 2020

Quellen: USGS

  • USGS
  • Earth Observatory (NASA 2018) - Hier auch die komplette, ggf. aktualisierte Zeitreihe
    und weitere Sequenzen zu anderen Themen mit Kommentar (e.) und
  • Earth Observatory (NASA 2021, Bild unten rechts)

Weitere Informationen: Khorezm Project und Desertification and land degradation in the Aral Sea Region (Copernicus 2021)

Im Allgemeinen wird bei der Change Detection Bezug genommen auf episodische und abrupte temporale Änderungen des Zustandes der Erdoberfläche. Diese können beispielsweise ausgelöst sein durch Naturkatastrophen oder massive menschliche Eingriffe in ländliche und städtische Räume, wie Kahlschläge, Brandrodung, Urbanisierung, Kriege etc.

Bei digitalen Satellitendaten werden solche Veränderungen bei der Bildüberlagerung sichtbar, wenn z.B. eine Bilddatenmatrix von der anderen abgezogen wird. Typischerweise werden pixelweise Vergleiche vorgenommen und eine Veränderung kann festgestellt werden, wenn genügend unterschiedliche Grauwerte bei korrespondierenden Pixeln vorliegen. Das Ergebnis erschließt sich aus der Bildanalyse.

Zu den Themen für Change Detection gehören: Desertifikation, Waldflächenveränderungen, biotische oder abiotische Waldkalamitäten, Siedlungsentwicklung, phänologisch-saisonale Themen, Eisgang-Vorhersage, Fragen der militärischen Verifizierung.

Wiederkehrende Veränderungen der Erdoberfläche wie zum Beispiel die phänologische Entwicklung von Pflanzenbeständen oder periodische Änderungen der Meeresoberflächentemperatur werden dagegen meist der fernerkundlichen Zeitreihenanalyse zugeordnet.

Übliche Fragen bei der Change Detection sind u. a.:

Change Detection als historische Dokumentation

Das folgende Bildpaar belegt die rücksichtslose Beseitigung einer Slum-Siedlung in Harare, Zimbabwe im Jahr 2005 durch den damaligen Dikatator Robert Mugabe (spiegel.de) Das linke Bild ist eine Aufnahme von DigitalGlobe QuickBird 61-cm vom 16. April 2005, das rechte ein QuickBird 61-cm Bild vom 4. Juni 2005.

Murambatsvina (Shona für "Müllentsorgung") war der informelle Name einer Aktion (mit der offiziellen Bezeichnung Operation Restore Order), die die Regierung von Simbabwe seit dem 25. Mai 2005 durchführen ließ. Illegal gebaute Häuser und Marktstände in Harare, Bulawayo und anderen Städten wurden mit Schubraupen und Radladern zerstört und niedergebrannt.

Oppositionspolitiker sahen die offiziellen Gründe (Vorgehen gegen illegalen Häuserbau und Handel, Verringerung der Verbreitung von Infektionskrankheiten) jedoch als fadenscheinig. Sie glauben, dass die ganze Aktion eher ihren Anhängern gewidmet war, die mehrheitlich in den Städten und deren Slums zu finden sind. Während dieser Aktion waren mehr als 3 Millionen Menschen direkt oder indirekt von den Auswirkungen der Zerstörung von zehntausenden von Häusern betroffen.

Die Zerstörung einer Slum-Siedlung in Harare, Zimbabwe (2005)
harare_1harare_2 Quelle: Jensen 2009

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CHARM

Engl. Akronym für CH4 Airborne Remote Monitoring; vom DLR gemeinsam mit den Firmen ADLARES GmbH und E.ON Ruhrgas AG entwickeltes System zur Überwachung von Erdgaspipelines von Hubschraubern aus. CHARM basiert auf dem Differential-Absorption-Lidar (DIAL) Verfahren. Dabei tastet ein rotierender Laserstrahl das flüchige Methangas (Hauptbestandteil des Erdgases in den Leitungen) am Boden ab. Das Verfahren führt zu einer deutlichen Effizienzsteigerung der Pipeline-Überwachung. Bislang war eine Überprüfung von ca. acht Leitungskilometern pro Tag durch Abgehen der Gastrassen möglich. Eine Befliegung mit CHARM schafft ca. 50 Leitungskilometer pro Stunde bei gleicher Überwachungsqualität.

Das CHARM-Messverfahren macht sich zunutze, dass Methan, infrarotes Licht bestimmter Wellenlängen absorbiert. Dazu erzeugt CHARM zwei kurze infrarote Laserpulse, deren Wellenlänge so eingestellt ist, dass der erste Puls von Methan absorbiert wird, während der zweite Puls keiner Absorption unterliegt. Dafür nutzt das DIAL-Verfahren zwei Lichtpulse mit gleicher Ausgangsintensität, jedoch unterschiedlicher Wellenlänge - einer Messwellenlänge (λon) und einer Referenzwellenlänge (λoff). Die Pulse werden vom Helikopter zum Erdboden ausgesandt, wo das Licht in alle Richtungen gestreut wird.

Ein Teil des reflektierten Lichtes beider Pulse wird zum Messsystem zurückgestreut und dort mit Hilfe eines Teleskops auf einen empfindlichen Detektor fokussiert. Aus dem Verhältnis der Signale beider Pulse lassen sich bestimmte Spurengaskonzentrationen anhand der erfolgten Absorption ermitteln. Ist an der Oberfläche eine Gaswolke mit einer mittleren Säulendichte von mindestens 20 ppm m vorhanden, wird dieses Methanvolumen sicher detektiert.

CHARM (CH4 Atmospheric Remote Monitoring) CHARM

Das System CHARM® ist sicher und erschütterungsfrei in einem Helikopter installiert. Regeleinrichtungen gleichen die Einflüsse der Hubschrauberbewegungen aus und richten den Messstrahl exakt auf die Leitungstrasse aus. Durch differentielles GPS (Global Positioning System) wird eine hochgenaue Positionsbestimmung des Helikopters realisiert.

Quelle: eoPortal

dial_prinzip

 

Funktionsweise

CHARM basiert auf dem DIAL-Prinzip, einer bewährten aktiven Fernerkundungsmethode zum Aufspüren von verschiedenen Gasen in der Atmosphäre. Das Instrument schickt Lichtpulse zur Erde und registriert dann die Strahlung, die von der Erdoberfläche zurückgesandt wird, wiederum in gepulster Form. Immer wenn einer dieser Pulse auf Methan trifft, wird sein Signal abgeschwächt, woraus man ableitet, dass Spuren von Methan sich im Laufweg des Lasers befinden.

Ab 2014 soll ein ähnliches Instrument in ca. 650 Kilometern Höhe an Bord eines deutsch-französischen Kleinsatelliten seine Bahnen um die Erde ziehen. Die Klimamission Merlin (Methane Remote Sensing Lidar Mission) soll aus dem All natürliche und anthropogene Quellen des Treibhausgases Methan (CH4) aufspüren. Das Messinstrument im Weltall sucht dabei pro Stunde 25.000 Kilometer ab. 50 Mal pro Sekunde wird es den Laserstrahl zur Erde senden und empfangen.

Rund 70 % der globalen Methan-Emissionen sind anthropogen bedingt - beispielsweise durch Reisfelder, Viehwirtschaft, Biomassenverbrennung auf Mülldeponien oder Energieerzeugung. Natürliche Quellen sind zum Beispiel Sümpfe und auftauende Permafrostgebiete. Das bisherige Datenmaterial erlaubt kaum Aussagen darüber, welche Quelle welche Mengen emittiertt. Die Daten, die der deutsch-französische Klimasatellit bei seinen Erdumrundungen sammelt, ermöglichen es jedoch Wissenschaftlern beider Länder, Rückschlüsse auf die verschiedenen Quellen für Methan zu ziehen.

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CHEOPS

Engl. Akronym für CHaracterising ExOPlanets Satellite; erste Kleinmission der ESA-Wissenschaftsprogrammmit dem Hauptziel, Exoplaneten in der näheren Umgebung der Erde zu charakterisieren und zu untersuchen. Der 200 Kilogramm schwere CHEOPS soll auf einer sonnensynchronen Erdumlaufbahn in ca. 700 Kilometern Höhe mindestens dreieinhalb Jahre lang kleinere Planeten untersuchen. Hierzu ist er mit einem Spezialteleskop von 30 Zentimetern Durchmesser und eineinhalb Metern Länge ausgestattet. Am 18. Dezember 2019 startete eine Sojus-Rakete mit dem Teleskop an Bord von Kourou aus ins All. Die Missionsdauer beträgt mindestens 3,5 Jahre.

Das Weltraumteleskop wird etwa 500 Sterne in unserer kosmischen Nachbarschaft beobachten, von denen man weiss, dass sie von Exoplaneten umkreist werden. CHEOPS misst die Helligkeit der Sterne. Diese nimmt leicht ab, wenn ein Exoplanet vor seinem Mutterstern vorbeizieht (Transitmethode). Aus der Helligkeitsabnahme bei einem solchen Transit lässt sich die Grösse des Exoplaneten bestimmen.

Mit der Radialgeschwindigkeitsmethode werden winzige Veränderungen im Lichtspektrum eines Sterns gemessen, die durch die Bewegung eines Sterns und eines oder mehrerer Planeten um den gemeinsamen Schwerpunkt verursacht werden. Diese Oszillation drückt sich in einer Dehnung (Rotverschiebung) oder Stauchung (Blauverschiebung) der Wellenlängen des Sternenlichts aus, dem nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler (1803–1853) benannten „Dopplereffekt“.

Hatten Forscherinnen und Forscher zuvor bereits die Masse des untersuchten Himmelskörpers mit der sogenannten Radialgeschwindigkeitsmethode bestimmt, können sie nun die Dichte des Planeten berechnen. Diese verrät ihnen, ob es sich um einen Gasriesen wie Jupiter oder Saturn handelt oder um einen Gesteinsplaneten ähnlich der Erde. CHEOPS kann sogar kleine Exoplaneten mit erdähnlichem Durchmesser untersuchen. Die interessantesten Objekte werden dann als Ziele für die nächsten Generationen von Instrumenten dienen, mit denen sogar das Studium der Atmosphäre von Exoplaneten möglich sein soll.

Viele Forscher sind davon überzeugt, dass es im Universum an Exoplaneten nur so wimmeln dürfte und demzufolge extraterrestrisches Leben unvermeidlich ist. Es ist nur eine Frage der Zeit, wann unsere lebensfreundliche Erde ihre singuläre Sonderstellung verlieren wird. Das Hauptaugenmerk der Forscher ist deshalb auf kleine Exoplaneten mit bis zu sechs Erdradien gerichtet – sogenannte Supererden. Mit verfeinerten Messmethoden, und hierzu gehört die satellitenbasierte Suche, versuchen sie diese erdähnlichen Gesteinsplaneten aufzuspüren.

CHEOPS Infografik

CHEOPS Infografik

Quelle: ESA, Universität Bern, Arianespace, FAZ

CHEOPS ist eine Mission der ESA, die in Zusammenarbeit mit der Schweiz umgesetzt wird, und zwar über das Swiss Space Office (SSO), einer Abteilung des Staatssekretariats für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI). Die Universität Bern leitet das Konsortium von 11 an der Mission beteiligten und im CHEOPS-Wissenschaftsteam vertretenen ESA-Mitgliedsstaaten. Auch das wissenschaftliche Instrument steht unter der Leitung der Universität Bern, mit bedeutender Beteiligung Italiens, Deutschlands, Österreichs und Belgiens. Weitere Beiträge zum wissenschaftlichen Instrument in Form technischer Ausrüstung oder zum wissenschaftlichen Betrieb und der Nutzung kommen aus Großbritannien, Frankreich, Ungarn, Portugal und Schweden. Das Betriebszentrum der Mission steht unter spanischer Verantwortung, das Forschungszentrum befindet sich dagegen an der Universität Bern in der Schweiz.

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CHIME

Engl. Akronym für Copernicus Hyperspectral Imaging Mission for the Environment; CHIME dient der detaillierten hyperspektralen Bestimmung von Vegetations- und Bodeneigenschaften (Spektroskopie des reflektierten Sonnenlichts), wie auch der Binnengewässer. Die Mission soll die EU mit Daten zur Veränderung der Naturgüter versorgen und gleichzeitig Anwendungen der Landwirtschaft, z.B. im Bereich der Pflanzengesundheit und bei Ertragsvorhersagen, im Umweltschutz oder bei der Gewinnung mineralischer Rohstoffe unterstützen. Mit seinem Hyperspektral-Instrument ist diese Mission auch eine ideale Ergänzung und Fortführung der deutschen EnMAP-Mission.

Copernicus Hyperspectral Imaging Mission Copernicus Hyperspectral Imaging Mission (CHIME)

Die Copernicus Hyperspectral Imaging Mission, CHIME, wird ein einzigartiges Spektrometer für das sichtbare bis kurzwellige Infrarot an Bord haben, um routinemäßige hyperspektrale Beobachtungen zur Unterstützung neuer und verbesserter Dienste für ein nachhaltiges Landwirtschafts- und Biodiversitätsmanagement sowie zur Charakterisierung von Bodeneigenschaften zu liefern. Die Mission wird Copernicus Sentinel-2 bei Anwendungen wie der Kartierung der Bodenbedeckung ergänzen.

Quelle: ESA

Entwickelt und gebaut wird das Instrument von der OHB System AG im bayerischen Oberpfaffenhofen bei München und von Leonardo in der Nähe von Florenz, Italien. Mit einem Vertrag im Wert von 455 Millionen Euro wird Thales Alenia Space in Frankreich die Entwicklung der Copernicus Hyperspectral Imaging Mission (CHIME) leiten. Die Hauptverantwortung für den Bau der zwei Satelliten trägt Thales Alenia Space in Toulouse. Der Betriebsbeginn ist für 2028 vorgesehen.

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China Academy of Space Technology (CAST)

Siehe CAST

China National Space Administration (CNSA)

Die staatliche Weltraumorganisation der Volksrepublik China. Sie ist für die Unterzeichnung von Regierungsabkommen bzgl. Raumfahrtaktivitäten zuständig sowie für die Durchsetzung der nationalen Weltraumpolitik, für die Organisation und Koordination der nationalen Weltraumforschung und der weltraumbezogenen Technologie und Industrie im zivilen Bereich. CAST ist ein Zweig der China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC).

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CHORUS

CHORUS ist eine in der Entwicklung befindliche Zwei-Satelliten-Radarkonstellation der MDA Ltd. (MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd.). Der Name CHORUS leitet sich aus dem Ziel der Mission ab, mehrere unterschiedliche und einzigartige Perspektiven in Einklang zu bringen, um ein neues Maß an Echtzeit-Einblicken in unseren Planeten zu ermöglichen. CHORUS baut auf dem starken Erbe des kanadischen RADARSAT-Programms auf und bringt innovative neue Technologien und Betriebskonzepte ein, um eine deutlich verbesserte Fähigkeit zu liefern.

Der leistungsstarke C-Band-SAR-Satellit (CHORUS C) wird in Verbindung mit einem kleineren, nachlaufenden X-Band-SAR-Satelliten (CHORUS X) ein weites Gebiet abdecken, um Daten mit höherer Auflösung zu sammeln und Near Real-Time (NRT) Cross-Cueing bei Tag und Nacht und unter allen Wetterbedingungen zu ermöglichen. CHORUS X fliegt auf der gleichen Umlaufbahn mit mittlerer Neigung und identischer Bodenspur wie der von der MDA gebaute CHORUS C.

Durch die Sammlung und Integration der Daten der einzelnen Satelliten wird CHORUS die umfangreichste auf dem Markt verfügbare Radarabbildungskapazität in einem System bereitstellen, die von der branchenweit führenden flächendeckenden Abdeckung mit einem 700 km breiten Streifen bis zu hochauflösenden Spotlight-Bildern im Submeterbereich reicht.

Im Einklang mit dem Erbe von RADARSAT wird CHORUS einzigartige Fähigkeiten für die Seeüberwachung und andere zeitkritische Anwendungen wie Landaufklärung und Katastrophenhilfe bieten. Diese Near-Real-Time (NRT)-Fähigkeit wird durch schnelles Tasking für taktische Operationen und direkte Downlinks zu einem globalen Netzwerk von Cloud-fähigen Bodenstationen ermöglicht.

Mit seinen C-Band- und X-Band-Kernsensoren, die in einem einzigartigen Orbit mit mittlerer Neigung betrieben werden, wird CHORUS eine höhere Abbildungsfrequenz zwischen den mittleren Breitengraden der nördlichen und südlichen Hemisphäre ermöglichen. Mit Tipping- und Cueing-Techniken, höherer Abbildungsleistung, mehr Abbildungszeit pro Umlaufbahn, schnellen Aufgaben, kürzeren Lieferfristen und NRT-Datenauswertung mit Hilfe von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz wird CHORUS fortschrittliche, innovative und bahnbrechende Erdbeobachtungsdienste anbieten, darunter

Leistungsspezifikationen

CHORUS wird mit CHORUS C Bilder mit einer maximalen Schwadbreite von 700 km und mit dem Spotlight-Modus von CHORUS X mit einer maximalen Auflösung von 0,25 m aufnehmen können.

Beide CHORUS-Satelliten werden auf dieselbe Umlaufbahn gebracht, wobei CHORUS X gegenüber CHORUS C einen Nachlauf von 60 Minuten haben wird. Es handelt sich um eine geneigte, nicht sonnensynchrone Umlaufbahn mit einer Höhe von etwa 600 km und einer Neigung von 53,5°. Die Abbildungszeit wird sich um etwa 20 Minuten pro Tag nach vorne verschieben, so dass CHORUS dieselbe Region zu unterschiedlichen Tageszeiten beobachten kann.

Die Mission ist auf eine Lebensdauer von 15 Jahren ausgelegt, wobei CHORUS C voraussichtlich über die gesamte Laufzeit in Betrieb bleiben wird. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass mehrere Versionen des CHORUS X-Satelliten gestartet werden müssen, um die volle Lebensdauer von 15 Jahren zu erreichen.

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chromatische Aberration

Abbildungsfehler eines optischen Systems; dabei wird Licht an der Linse je nach Wellenlänge oder Farbe unterschiedlich stark gebrochen. Es treten zwei Formen der chromatischen Aberration auf. Einerseits gibt es den Farblängsfehler in Form unterschiedlicher Verfärbungen vor und hinter der Fokusebene und andererseits den Farbquerfehler, der sich besonders an Bildrändern in grünen und roten bzw. blauen und gelben Farbsäumen an Hell-Dunkel-Übergängen äußert. Mit Hilfe eines programmierten Korrekturtools kann mittels radialsymmetrischer Verzeichnungsterme der Farbquerfehler, der sich als störender Farbsaum im Bild auswirkt, eliminiert werden.

Somit müssten sich zum Beispiel die Zuordnungsverfahren für das Auffinden von homologen Bildpunkten verbessern. Denn für ein gutes Ergebnis ist entscheidend, wie stark sich die Pixel um einen Bereich von homologen Punkten in der Farbintensität unterscheiden.

Auch bei der manuellen Messung im Bild wird die Entscheidung für einen Bearbeiter, wo sich genau ein Eckpunkt befindet oder eine Kante verläuft, erleichtert, da nach der Korrektur der chromatischen Aberration der sogenannte Farbsaum entfernt wurde und dementsprechend das Bild schärfer und die Kanten eindeutiger wirken. Ebenso steigert sich die Qualität einer 3D-Visualisierung bei der Korrektur des Farbfehlers.

In der Fernerkundung ist es wichtig mit Farbbildern zu arbeiten, die frei sind von Aberrationen. Denn wenn keine aberrationsfreien Bilder im Vorfeld erzeugt würden, würde eine multispektrale Klassifikation zu komplett falschen Klassifizierungsergebnissen von Pixeln kommen.

CIE-Farbsystem

Engl. CIE colour system, franz. Akronym für Commission Internationale de l'Eclairage; mit Hilfe des CIE-Farbsystems kann man Farben in mathematischer Form beschreiben und die dominierende Wellenlänge und Reinheit der Farbe in ein Diagramm eintragen. Als objektives Farbsystem kommt es ohne Farbmuster aus und ist als Grundlage für Farbmessungen konzipiert worden. Basierend auf der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges sind in einer zungenförmigen Normfarbtafel Farbton und Sättigung kodiert, wobei jeder Farbort über die drei Kenngrößen Farbton T, Sättigung S und Helligkeit Y definiert ist. Es wurde 1931 von der Commision International de l'Eclairage (CIE) entwickelt und gehört zu den am häufigsten verwendeten Farbordnungssystemen.

Die Farben der folgenden Grafik stellen eine grobe Orientierung innerhalb des Farbraumes dar. Die auf Ausgabegeräten darstellbaren Farben beschränken sich auf eine dreieckige Fläche im Inneren der Grafik. Die sattest-möglichen (kräftigsten) Farbtöne befinden sich an den Kanten des Dreiecks.

Um den vom Betrachter wahrgenommenen dreidimensionalen Farbraum übersichtlicher (nach Farbart) darstellen zu können, wurde die zweidimensionale CIE-Normfarbtafel entwickelt. Dabei wird die dritte Komponente Z (im Falle des links stehend abgebildeten Diagramms Blau) für jeden Punkt der Farbtafel rechnerisch aus den beiden anderen durch die Beziehung x + y + z = 1 ermittelt. Die hufeisenförmige Fläche möglicher Farben ist bei der CIE-Normfarbtafel auf einem Koordinatensystem aufgetragen, auf dem x- und y-Anteil (der CIE-genormten theoretischen Grundfarben X (rot), Y (grün) und Z (blau), einer beliebigen Farbe P direkt abgelesen werden können. Durch die Grundbedingung x + y + z = 1 lässt sich der z-Anteil jeweils rechnerisch (z = 1 – x – y) ermitteln.

CIE-Normfarbtafel

CIE Normfarbtafel

Quelle: Wikipedia

Zentraler Bezugspunkt der Tafel ist der in jeder Farbmesssituation wesentliche Weißpunkt W. Der im Diagramm mit W gekennzeichnete Punkt ist derjenige theoretische Weißpunkt, der alle drei Farben zu je 1/3 (x, y und z = 0,333...) repräsentiert. Abhängig von der Beleuchtungssituation kann sich der Weißpunkt praktisch überall innerhalb des Hufeisens befinden. Technisch von Bedeutung ist nur die Black-Body Kurve. Auf deren Verlauf sind die Farben als Temperatur eines idealen Strahlers (schwarzer Körper) in Kelvin angegeben. Ausgehend vom Weißpunkt können alle als farbtongleich empfundenen Farben auf einer Linie durch den Punkt P abgelesen werden. Über den verwendeten Farbraum hinaus (hier ist der Adobe-RGB Farbraum dargestellt) kann die für die spezielle Situation entsprechende Spektralfarbe auf der Spektralfarblinie (P’) abgelesen werden. Auf der genau gegenüberliegenden Seite von W können die Komplementärfarben auf der verlängerten Linie W-Q abgelesen werden. Der Punkt Q' stellt dabei die äußerste (reinste) Komplementärfarbe dar, der hier durch den Schnitt mit der Purpurlinie definiert wird.

CIMR

Engl. Akronym für Copernicus Imaging Microwave Radiometer; Bezeichnung für eine aus zwei Satelliten bestehende Erdbeobachtungsmission mit passiven Mikrowelleninstrumenten.

Die CIMR-Mission wird ein konisch abtastendes Multifrequenz-Mikrowellenradiometer mit großer Messbereichsbreite (Ka-, K-, X-, C- und L-Bänder) mitführen, um Beobachtungen der Meeresoberflächentemperatur, der Meereiskonzentration und des Salzgehalts der Meeresoberfläche zu ermöglichen. Der CIMR-Sensor besitzt eine räumliche Auflösung von 15, 55 und 5 Kilometern.

Einzigartig ist die Beobachtung einer Vielzahl anderer Meereisparameter. Das CIMR reagiert auf hochprioritäre Anforderungen von wichtigen Nutzergemeinschaften der Arktis. Die Daten finden in der Klimaforschung ebenso Anwendung wie bei den operationellen Eisdiensten für maritime Anwendungen.

Copernicus Imaging Microwave Radiometer Copernicus Imaging Microwave Radiometer Quelle: ESA

Wichtigster deutscher Industriepartner ist die HPS GmbH, ein KMU, in München, das mit seiner rotierenden und entfaltbaren 8 Meter-Großantenne zur europäischen Unabhängigkeit bei diesem Bauteil beiträgt. Die industrielle Hauptverantwortung für die Mission trägt Thales Alenia Space in Rom.

Die Inbetriebnahme ist für 2029 vorgesehen.

Weitere Informationen:

CIR-Bilder

Engl. Akronym für Colour infrared images; Bilder mit erhöhter Infrarotempfindlichkeit des Filmmaterials oder Bildsensors, deren Farbwiedergabe „falsche Farben“ aufweist, das heißt die abgebildeten Farben entsprechen nicht der Wahrnehmung des menschlichen Auges, sondern es werden die infraroten Bereiche in jene des sichtbaren Lichtes „übersetzt“. CIR-Bilder werden insbesondere zur Interpretation von Vegetationserscheinungen verwendet, so z.B. bei der Waldschadenskartierung oder bei der Biotoptypenkartierung sowie in der Luftbildarchäologie.

Einsatzmöglichkeiten von CIR in Bayern
Anwender, Behörden Aufgaben etc.
Landesanstalt für Wald und
Forsten (LWF)
FFH und Natura 2000 im Wald
Bayer. Staatsforsten Waldkartierungen, Erfassung von
Waldstrukturen, Bestands- und Kronenstruktur
Bayer. Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Vegetationsbestimmung, Integriertes Verwaltungs- und Kontrollsystem (EU), Feldstücke
NPV Berchtesgaden,
NPV Bayer. Wald
Biosphärenreservat Rhön
Schutzgebiete, Erfassung von
Waldstrukturen, Borkenkäfer,
Vegetationskartierungen etc.
Landesamt für Umwelt (LfU) DeCover, FFH, VNP-Flächen
Monitoring der Schutzgebiete, GMES
Städte- und Gemeinden Versiegelungsflächen (für gesplittete
Abwassergebühr)
BVV Erfassung tatsächliche Nutzung in ALKIS
Gebietstopographie

Clarke Belt

Gürtelartiger Bereich direkt über dem Äquator in ca. 35.800 Kilometer Höhe, in dem ein Satellit die Erde mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit umkreist, wie sich ein Beobachter auf der Erde um die Achse bewegt. Der Science Fiction-Autor und Wissenschaftler Arthur C. Clarke präsentierte seine - auf Herman Potočnik zurückgehende - Idee, geostationäre Satelliten zur technischen Kommunikation zu nutzen, 1945 in der wissenschaftlichen Zeitschrift Wireless World unter dem Titel Extra-terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give World-wide Radio Coverage? Ihm zu Ehren wird daher der geostationäre Orbit „Clarke Belt“ beziehungsweise „Clarke Orbit“ genannt. Der Clarke Orbit hat einen Umfang von ca. 265.000 km.

Clarke Orbit or Geostationary Orbit Clarke Orbit Quelle: Wikipedia (e.) / Spaceyuga (R.o.)

Clarkes prophetische Idee wurde innerhalb von zwei Jahrzehnten Realität. Einige britische Wissenschaftler testeten im Jahr 1959 den Vorschlag aus und setzten dazu den Mond ein. Funksignale wurden zum Mond gesandt, der sie dann zurückwarf. Mit dem Herannahen des Weltraumzeitalters probierten Wissenschaftler die Idee mit einem Satelliten aus, den sie auf eine elliptische Umlaufbahn (180-1.490 km) schickten. Er wurde im Dezember 1958 gestartet und kehrte im Januar 1959 zur Erde zurück. Dann wurde ein Versuch mit einem metallbeschichteten Ballon mit 30 m Durchmesser durchgeführt, der auf eine Kreisbahn um die Erde geschickt wurde, um zu erkunden wie gut er Signale aus dem Weltall übertragen konnte. Er reflektierte Funkwellen von seiner Umlaufbahn alle 100 Minuten.

Der nächste Schritt war die Entwicklung eines aktiven Satelliten, der die Signale, die von der Erde ausgesandt wurden, verstärken sollte. Und im Jahr 1962 übertrug ein Satellit namens Telstar Fernsehbilder von Kontinent zu Kontinent. Die Übertragungsverbindung zwischen Amerika und Frankreich blieb 22 Minuten erhalten bis der Satellit außer Sichtkontakt geriet. Diese kurze Überflugzeit machte klar, dass solche Satelliten in größerer Höhe fliegen sollten, um den Sichtkontakt zu verlängern. Als dann große Raketen zur Verfügung standen, um größere Höhen zu erreichen, wurde eine neue Generation von Satelliten gestartet. Im Februar 1963 wurde mit Syncom-I der erste Satellit auf einer synchronen Umlaufbahn gestartet, aber er verlor wegen einer Fehlfunktion den Kontakt zur Erde. Syncom-II folgte am 26. Juli. Mit seiner Position über dem Atlantik wurde er zum ersten funktionsfähigen geosynchronen Satelliten. Bald darauf erkannten die Raumfahrtagenturen das große Nutzungspotenzial von geosynchronen Satelliten.

Climate Change Initiative

Die Climate Change Initiative (CCI) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ist ein Programm, dessen Ziel es ist, stabile, langfristige, satellitengestützte ECV-Datenprodukte für Klimamodellierer und Forscher bereitzustellen. Dies kann erreicht werden, indem das volle Potenzial der langfristigen Erdbeobachtungsarchive (EO-Archive) genutzt wird, die die ESA in den letzten 30 Jahren zusammen mit ihren Mitgliedstaaten als wichtige und zeitnahe Beiträge zu den ECV-Datenbanken eingerichtet hat, die nach dem Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen (UNFCCC) erforderlich sind.

Die ECVs werden aus mehreren Satellitendatensätzen (nicht nur der ESA, sondern aus allen über internationale Zusammenarbeit verfügbare Quellen) abgeleitet und enthalten spezifische Informationen u.a. über die Fehler und Unsicherheiten der Datensätze. Umfassende Informationen werden auch über Kalibrierung und Validierung, langfristige Algorithmenwartung, Datenkuration und Wiederaufbereitung bereitgestellt. Die Klimaschutzinitiative wird europäisches Fachwissen zusammenführen, welches das gesamte Spektrum der in der europäischen Erdbeobachtungsgemeinschaft verfügbaren wissenschaftlichen, technischen und entwicklungsbezogenen Fachgebiete abdeckt, und den globalen wissenschaftlichen und operativen Gemeinschaften einen dauerhaften und transparenten Zugang schafft.

Das 75 Mio. € teure CCI-Programm, das von 2009 bis 2016 lief, bestand aus drei Phasen: Anforderungsanalyse, Algorithmenentwicklung und ECV-Prototypenbau, ECV-Produktion und Systementwicklung sowie Benutzeranalyse und Feedback. Im Rahmen des Programms wurde ECV für alle drei Bereiche, atmosphärische, ozeanische und terrestrische, generiert. Eine Verlängerung des CCI-Programms, genannt CCI+, ist inzwischen angelaufen.

Wie helfen Satelliten, Informationen über den Klimawandel bereitzustellen?

Um Veränderungen des Klimas zu erkennen, sind lange Zeitreihen - in der Regel 40 Jahre - von Daten erforderlich. Daraus lassen sich Veränderungen von Jahr zu Jahr und von Dekade zu Dekade ableiten. Diese Veränderungen können klein, aber von entscheidender Bedeutung sein, wie beispielsweise der Anstieg des Meeresspiegels, der derzeit in Millimetern pro Jahr gemessen wird. Deshalb ist es wichtig, dass die für die Klimaforschung verwendeten Datensätze über einen langen Zeitraum hinweg korrekt und konsistent sind.

Satelliten sind hervorragend in der Lage, konsistente Daten über die ganze Welt zu liefern und wichtige Informationen an die Erde über unzugängliche Gebiete zurückzusenden. Sie haben jedoch eine begrenzte Lebensdauer von einigen Jahren bis über einem Jahrzehnt, und es kann Lücken zwischen den Missionen geben. Um Datensätze zu erzeugen, die lang genug für die Klimaforschung sind, ist die Kombination und Interkalibrierung vieler verschiedener Satellitenmissionen erforderlich.

Das Programm der Europäischen Weltraumorganisation Climate Change Initiative (CCI) leistet genau dies, indem es Datensätze aus verschiedenen Missionen und Sensoren zu einer kontinuierlichen Datenreihe zusammenführt. Beobachtungen aus dem 40-jährigen Archiv der ESA tragen zusammen mit den derzeit in Betrieb befindlichen Satelliten zur Bildung dieser Datenreihen bei. Dies geschieht für Schlüsselkomponenten des Klimawandels, den Essential Climate Variables, die aus dem Weltraum messbar sind.

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CLIVAR

Engl. Akronym für Climate Variability and Predictability Experiment; internationales Programm zur Erforschung vielfältiger Fragen zur natürlichen Klimavariabilität und zum anthropogen bedingten Klimawandel. CLIVAR ist in das umfassendere World Climate Research Programme (WCRP) eingebettet. Es soll die Variabilität und Vorhersagbarkeit von Klima auf saisonalen bis jahrhundertweiten Zeitskalen beschreiben und verstehen helfen, die verantwortlichen physischen Prozesse aufspüren, einschließlich anthropogener Auswirkungen sowie die Fähigkeiten zu Modellierung und Vorhersage in praktikablem Rahmen entwickeln.

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cloud (radiative) forcing

Engl. für Wolkeneinfluss; der Begriff bezeichnet den Unterschied der Komponenten der Strahlungsbilanz bei durchschnittlicher Bewölkung und bei wolkenfreien Bedingungen. Vereinfacht gesagt können Wolken nach aktuellem Kenntnisstand die Albedo von 15 % auf 30 % erhöhen, was eine Reduzierung der absorbierten Solarstrahlung von ungefähr 50 W/m² zur Folge hat. Dieser kühlende Effekt wird z.T. durch die Treibhauswirkung der Wolken wettgemacht, der die ausgehende langwellige Strahlung (OLR) um ca. 30 W/m² mindert, sodass der Nettoeinfluss der Wolken auf die Strahlungsbilanz zu einem Verlust von 20 W/m² führt. Wären die Wolken hypothetisch entfernt und alle anderen für die Strahlungsbilanz wichtigen Faktoren blieben gleich, käme die eben genannte Energiemenge hinzu, und die Erdatmosphäre würde sich erwärmen.

Wolken und ihr Einfluss sind eine der größten Unsicherheiten bei der Berechnung des Klimas der Zukunft mit Hilfe globaler Klimamodelle.

CloudSAT

Experimentelle Satellitenmission der NASA zur Messung der vertikalen Wolkenstruktur aus dem Weltall. Der Satellit wird detaillierte, dreidimensionale Bilder liefern, die eine bessere Analyse der Bewölkung ermöglichen (Vertikalprofile zur Verteilung von Wasser und Eis), z.B. im Zusammenhang mit dem globalen Klimasystem und dessen Modellierung. Bessere Wetter- und Klimaprognosen werden erwartet. Die Beobachtungen von CloudSAT sollen auch das Verständnis für die Rolle von Aerosol bei der Wolkenbildung verbessern. Gleichzeitig dienen sie der Verbesserung und Validitierung von Daten anderer Satelliten. CloudSAT ist einer der ersten Satelliten, die Wolken auf einer globalen Basis beobachten.

Unter den vielen wissenschaftlichen Errungenschaften der Mission hat CloudSat bisher die Möglichkeit geschaffen, Wolken und den von ihnen stammenden Niederschlag gemeinsam zu betrachten und dabei Fehler in der Klimamodellphysik aufzudecken: Modelle produzieren zu häufig Niederschlag, und der modellierte Niederschlag ist geringer als die tatsächlichen Beobachtungen.

CloudSat hat zum ersten Mal den globalen Schneefall direkt quantifiziert und festgestellt, dass die Klimamodelle den antarktischen Schneefall überschätzen, viele um mehr als 100 Prozent.

CloudSAT - künstlerische Darstellung
CloudSAT Quelle: Colorado State University / NASA

Seine Umlaufbahn in 705 km Höhe ist sonnensynchron bei einer Inklination von 98,2°, die Umlaufzeit beträgt 98,8 min. Das eingesetzte Instrument ist ein mit 94 GHz arbeitendes, senkrecht messendes Radarsystem (Cloud Profiling Radar, CPR), das die von den Wolken rückgestrahlte Energie als Funktion der Entfernung vom Radarsystem misst.
Der Start erfolgte zusammen mit CALIPSO am 28.4.2006 auf einer zweistufigen Delta II-Rakete.

Im Februar 2018 haben die Missionsleiter des JPL aufgrund einer Fehlfunktion von CloudSat den Satelliten auf eine tiefere Umlaufbahn navigiert, womit er nicht mehr Teil des A-Trains ist. Allerdings kann der seine wissenschaftlichen Aufgaben fortsetzen.

Wolken- und Niederschlagsradar auf CloudSat

Der 2006 gestartete CloudSat trägt das erste satellitenbasierte Wolkenradar im Millimeterbereich. Es ist das zu dieser Zeit weltweit empfindlichste profilierende Wolkenradar, über 1000 Mal empfindlicher als übliche Wetterradare. Es sammelt Daten über die vertikale Struktur von Wolken, einschließlich der Mengen an flüssigem Wasser und Eis. Gleichfalls ermittelt er Informationen darüber, wie Wolken die Menge des einfallenden Sonnenlichts beeinflussen und die terrestrische Strahlung, die die Atmosphäre durchläuft. Die noch mangelhafte Berücksichtigung der Wolken und ihrer Wirkungen sind Fehlerquellen in Klimamodellen. Die Messungen von CloudSat werden wahrscheinlich das Verständnis von Wolkenprozessen verbessern und Irrtümer in der Vorhersage von Wetter und Klima reduzieren.

CloudSat-Bilder liefern auch wertvolle Informationen über die vertikale Struktur von Hurrikanen. Sowohl in der Infrarot-Darstellung des Satelliten Aqua, als auch im Vertikalprofil des Wolkenradar von ClouSat erkennt man starke und symmetrische Wände des Hurrikanauges. Sie reichen bis 16 km hoch. Diese Struktur ist aus einem Horizontalbild nicht immer ablesbar, sondern erst im Radarscan.

Wenn tropische Zyklone abgeschert werden schwächen sie sich ab, und die Vertikalstruktur der Wolken kann diese Abscherung belegen. Das CloudSat-Bild von Ileana zeigt die unterschiedliche Struktur der äußeren Regenbänder des Wirbelsturms. Die Südseite hat eine nahezu geschlossene Wolkenstruktur, wohingegen die Nordseite eine Lücke zwischen den äußeren Wolkenbändern aufweist. Aus dem Wolkenprofil kann man Cirrusbewölkung von hochreichender konvektiver Bewölkung unterscheiden, was mit einer Betrachtung der Wolkenoberfläche alleine nicht möglich wäre.

Die folgenden Abbildungen vergleichen einer Aqua-IR-Aufnahme mit einem CloudSat-Vertikalprofil des Hurrikan Ileana. Die rote Linie im Aqua-Bild markiert den Verlauf des Cloudsat-Profils.

Wolken- und Niederschlagsradar auf CloudSat
Quelle: UCAR (Zugang über kostenfreie Registrierung)

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CLS

Franz. Akronym für Collecte Localisation Satellite; Tochter der französischen Raumfahrtagentur CNES, des französischen Ozeanforschungsinstituts IFREMER und mehrerer französischer Finanzinstitute. CLS bietet satellitengestützte Positionierungsdienste, die Sammlung von Umweltdaten sowie Daten zur Meeresbeobachtung zur Nutzung durch Regierung, Industrie und Wissenschaft. Hierzu arbeitet CLS eng mit CNES, NOAA, EUMETSAT, JAXA und INPE zusammen.

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Cluster

Engl. cluster, franz. cluster; nach DIN 18716 ein "unregelmäßiger (zusammenhängender) Punkthaufen im Merkmalsraum".

Cluster II

Mission der ESA zur Untersuchung der Interaktion zwischen der Sonne und der irdischen Magnetosphäre. Die von der Sonne ausgesandten energiereichen Teilchen, der sogenannte Sonnenwind, haben erhebliche Auswirkungen auf das Leben auf der Erde.

Die Sonne ist nicht nur die Quelle des Lichts und der Wärme, von ihr geht auch ein kontinuierlicher Teilchenstrom aus, der Sonnenwind. Diese im Wesentlichen aus Protonen und Elektronen bestehende Strahlung wäre, wenn sie bis zur Oberfläche der Erde gelangen würde, in hohem Maße lebensfeindlich. Dass dies nicht geschieht, ist dem Erdmagnetfeld zu verdanken, das einen Hohlraum um die Erde herum schafft, in den der Sonnenwind nicht eindringen kann, sondern den er umströmen muss. Dieser Bereich wird Magnetosphäre genannt.

Insbesondere sollen die rapiden Änderungen untersucht werden, die in der Magnetosphäre vor sich gehen, wenn Sonnenwinde eine große Anzahl von elektrisch geladenen Partikel wie Protonen und Elektronen zur Erde bringen. Durch simultane Messungen haben sie inzwischen die erste dreidimensionale Detailstudie der Veränderungen und Prozesse erstellt, die sich im erdnahen Weltraum abspielen.

Künstlerische Darstellung
der vier Cluster II-Satelliten clusterquartet_lres Quelle: DLR

Bisherige Magnetosphären-Missionen ließen es nicht zu, zeitliche Änderungen von räumlichen Variationen zu unterscheiden. Um diese Trennung zumindest in einer ersten Näherung zu ermöglichen, braucht man mindestens vier nicht in einer Ebene liegende Messpunkte, also eine Gruppe von vier Satelliten mit identischer Instrumentierung. Mit Cluster II wird diese Möglichkeit zum ersten Mal eröffnet. Ziel der Mission ist es, die Vorgänge an den Grenzschichten im Detail zu untersuchen.

Die vier identischen Satelliten der Mission mit jeweils elf Instrumenten an Bord wurden von den wissenschaftlichen Einrichtungen der verschiedenen ESA-Mitgliedsstaaten entwickelt. Sie wurden im Sommer 2000 (Salsa und Samba im Juli, Rumba und Tango im August) von zwei russischen Sojus-Trägerraketen (von Starsem) vom kasachischen Kosmodrom Baikonur aus auf stark elliptische Polarumlaufbahnen zwischen 19.000 und 119.000 Kilometer Höhe eingeschossen. Die Satelliten bewegen sich in einer tetraedischen Formation, d.h. in Form einer dreiseitigen Pyramide und realisieren damit die erste präzise, dreidimensionale Studie der Änderungen und Prozesse, die sich um die Erde abspielen.

Ursprünglich sollten die vier Cluster-Satelliten während des Jungfernfluges Trägerrakete Ariane 5 im Juni 1996 in die Umlaufbahn gebracht werden, doch der Start misslang. Ein fehlerhaftes Programm im Bordrechner bewirkte, dass die Rakete beim Aufstieg so starken aerodynamischen Lasten ausgesetzt war, dass sie auseinander brach und gesprengt werden musste. Mit der Rakete ging auch die Nutzlast verloren, und das Ende der Cluster-Mission schien besiegelt. Bei der Wiederaufnahme des einzigartigen Cluster-Projektes fungierte Astrium als Hauptauftragnehmer für die Entwicklung und den Nachbau.

Die Gesamtlebensdauer der Cluster II Mission war ursprünglich von Februar 2001 bis Dezember 2005 vorgesehen. Inzwischen hat die ESA nach einer Revision im Jahr 2012 eine weitere Verlängerung bis Dezember 2014 bestätigt. Im Februar 2023 sind die Satelliten noch immer aktiv.

CLUSTER-Orbit Hochgeschwindigkeits-Plasmaströme mit unbekannter Herkunft

Die vier Cluster-Satelliten umkreisen die Erde in einer pyramidalen Konfiguration entlang eines nominalen polaren Orbits von 4 × 19.6 Erdradien (1 Earth radius = 6380 km). Das Bild zeigt die Konfiguration am 17. März 2007.

Quelle: ESA
Solar Windscreen Sonnenwind formt die Magnetosphären von Erde und Venus

Künstlerische Darstellung, die veranschaulicht, wie der Sonnenwind die Magnetosphären von Venus (brauner Schweif, näher bei der Sonne) und Erde (blauer Schweif). Beide Planeten haben ungefähr die gleiche Größe. Venus befindet sich näher bei der Sonne bei ca. 0,7 AU (Astronomical Unit), wohingegen die Erde bei 1 AU positioniert ist. Im Unterschied zur Venus hat die Erde ein internes Magnetfeld, das seine Magnetosphäre vergrößert. Die von der Sonne wegführenden Linien symbolisieren die Ausbreitungsrichtung des Sonnenwindes.

Quelle: ESA

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Clusteranalyse

Syn. Haufenanalyse, engl. cluster analysis, franz. analyse par cluster, analyse par groupage; unüberwachtes Klassifizierungsverfahren, welches die Gesamtheit der Bildelemente in eine Anzahl von Klassen ähnlicher spektraler Eigenschaften unterteilt. Dabei handelt es sich um rein statistische Klassen; ein Bezug zu Geo-Objekten ist a priori nicht notwendig! Deshalb werden auch keine Trainingsgebiete oder andere Referenzdaten gebraucht.

Man geht dabei zunächst von einem beliebigen Merkmalsvektor als Mittelpunkt einer ersten Klasse aus. Anhand ausgewählter Zuweisungskriterien werden dann die weiteren Merkmalsvektoren auf ihre Zugehörigkeit zu dieser Klasse geprüft. Eine neue Klasse wird erzeugt, wenn die Kriterien nicht erfüllt werden. Das Verfahren läuft meist iterativ bis eine Abbruchsregel (maximale Anzahl der Iterationen, Anteil unveränderter Zuweisungen nach einem Durchlauf) eintritt.

Schematische Definition von Pixel-Clustern (Objektklassen) und ihren Mittelwerten

Prinzipiell wird bei diesem Verfahren jedes einzelne Pixel auf seine spektrale Distanz zu einem Mittelwert einer zuvor über die statistischen Gesamtparameter definierten Gruppe von Klassen untersucht, wobei das Pixel der Klasse zugeschlagen wird, zu der die geringste Distanz besteht. Die Bedeutung der Klassen ließe sich dann nachträglich auf ihre geowissenschaftliche Relevanz untersuchen. Meist führt diese Methode im Detail zu nur unzureichenden Ergebnissen; allerdings wird die Cluster-Analyse im Vorfeld der überwachten Klassifizierung als Beurteilungskriterium für die spektrale Homogenität der ausgewählten Trainingsgebiete bzgl. der Objektklasse oder evtl. möglicher Unterklassen genutzt, da sie nicht sehr rechenaufwendig ist.

Schematische Definition von Pixel-Clustern
und ihren Mittelwerten clustanalyse Quelle: Uni Münster IVVgeo

CM SAF

Engl. Akronym für Satellite Application Facility on Climate Monitoring; CM-SAF erstellt, archiviert und vertreibt operationell auf Satellitendaten basierende, hochwertige Datenprodukte, die zu Zwecken der Klimaüberwachung und der weiteren Analyse des Atmosphärenzustands verwendet werden können.

Satelliten liefern seit einigen Jahren umfangreiche Messwerte aus der gesamten Atmosphäre, die zunehmend auch für die Überwachung des Klimas genutzt werden. In Europa werden Satellitendaten von EUMETSAT bereitgestellt, einer zwischenstaatlichen Organisation, der 21 Staaten angehören und mit der weitere Staaten kooperieren. EUMETSAT hat 1999 begonnen, ein Netzwerk von Zentren aufzubauen, das für die Generierung, Verbesserung und Verbreitung von Produkten aus Satellitendaten für spezielle Nutzergruppen zuständig ist. Diese Zentren (SAF - Satellite Application Facilities) ergänzen das Spektrum der Produkte, die bei EUMETSAT selbst erzeugt werden. Insgesamt wurden acht SAFs für verschiedene Nutzergruppen eingerichtet, die fast alle Bereiche der Meteorologie abdecken (z.B. numerische Wettervorhersage (NWP), Kürzestfristvorhersage, Ozean und Meereis) und von einem nationalen Wetterdienst in Kooperation mit weiteren Wetterdiensten geleitet werden.

In Europa werden Satellitendaten von EUMETSAT bereitgestellt, einer zwischenstaatlichen Organisation, der 21 Staaten angehören und mit der weitere Staaten kooperieren. Zur Bereitstellung von Satellitenprodukten für verschiedene Anwendungen hat EUMETSAT spezielle Einrichtungen geschaffen, sogenannte Satellite Application Facilities (SAF). Aufgabe eines SAF ist es, anwendungsbezogene Satellitenprodukte zu entwickeln, zu archivieren und fortlaufend bereit zu stellen. Es gibt mehrere SAF's für Anforderungen der numerischen Wettervorhersage, zu Ozeanen und Meereis und anderen - und auch für die Klimaüberwachung (CM-SAF). Der Deutsche Wetterdienst ist verantwortlich für CM-SAF, also für die satellitengestütze Klimaüberwachung insbesondere in Europa, aber auch darüber hinaus. Er wird unterstützt durch fünf nationale europäische Wetterdienste.

CM-SAF hat inzwischen den Status eines internationalen Projektes verlassen und seine Routinearbeiten aufgenommen. Aus den Messwerten der Satelliten erstellt CM-SAF hochwertige Produkte, die anschließend international in der Klimaüberwachung und bei der weiteren Analyse des Atmosphärenzustands verwendet werden. Die vielfältigen Produkte enthalten Kenngrößen zur Bewölkung, zur Strahlung am Erdboden und am Oberrand der Atmosphäre, Feuchteverteilung und vielem mehr.

cmsaf_consortium The Satellite Application Facility on
Climate Monitoring (CM SAF) - Consortium
Quelle: EUMETSAT

Ziel des CM-SAF ist es, homogene mehrjährige Klimadatensätze von wesentlichen Klimavariablen ("Essential Climate Variables", ECV) auf der regionalen bzw. globalen Skala zu erzeugen. Das CM-SAF erzeugt kontinuierlich Datenreihen basierend auf polarumlaufenden und geostationären Satelliten. Die Produktpalette umfasst verschiedene Wolkenprodukte (z.B. Bedeckungsgrad, Wolkentyp, Wolkenoberkantendruck, -temperatur und -höhe) sowie mikrophysikalische Eigenschaften der Wolken (optische Dicke, Wolkenwassergehalt), Strahlungsprodukte am Oberrand der Atmosphäre (reflektierte kurzwellige Strahlung, langwellige Ausstrahlung) und am Erdboden (z.B. Globalstrahlung, Gegenstrahlung, Albedo, Strahlungsbilanzen). Ergänzt wird das Portfolio durch Wasserdampf- und Temperaturprodukte (Profile und vertikal integrierte Größen). Alle abgeleiteten Klimavariablen werden dem Nutzer kostenfrei über ein Internet-Schnittstelle zur Verfügung gestellt.

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CMEMS

Engl. Akronym für Copernicus Marine Environment Monitoring Service, dt. Copernicus Dienst zur Überwachung der Meeresumwelt; Bezeichnung für den europäischen Dienst für die Überwachung und Vorhersage des Ozeans. Der CMEMS liefert umfassend bewertete Daten und Produkte zum physikalischen und biochemischen Zustand des Ozeans als Reanalysen, in Echtzeit und als Vorhersageprodukte. Sie beruhen auf der bestmöglichen Kombination von Satellitendaten, In-situ-Daten und Modellergebnissen.

CMEMS stellt Daten und Produkte kostenfrei zur Verfügung und ermöglicht jedem Nutzer, eigene Produkte für eine große Vielfalt mariner Anwendungsbereiche zu entwickeln. Die CMEMS-Produktpalette reicht von globalen Strömungsdaten über Karten der arktischen Meereisbedeckung bis hin zu Chlorophyll-Verteilungen in Nord- und Ostsee.

Die Seite marine.copernicus.eu bietet Zugang zu globalen Strömungskarten, Produkten zur Verteilung von Chlorophyll, Temperatur, Salz, Sauerstoff und Meereis, Daten der Meeresspiegelhöhe oder zu Vorhersagen von Wellen und Wind.

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CMY(K)-Farbmodell

Engl. CMY(K) colour model; Bezeichnung für ein subtraktives Farbsystem unter Verwendung der engl. Farbbezeichnungen Cyan, Magenta, Yellow, (Black). Dabei lassen sich alle anderen Farben aus den genannten herstellen. Es wird häufig in der Druckindustrie beim Vierfarbdruck und auch bei Tintenstrahl- und Farblaserdruckern verwendet. Der Buchstabe K aus dem Wort Black wurde anstelle des B gewählt, um eine Verwechslung mit der Farbe Blue im RGB-Farbmodell auszuschließen. Anderen Angaben zufolge steht "K" für "Key" und wird in der Druckindustrie als Tiefe bezeichnet.

Alle Farbtöne werden in einem dreidimensionalen Vektorraum festgelegt. Im Gegensatz zum additiven Farbmodell, bei dem durch Hinzufügen von Farbanteilen der Farbton heller wird, wird bei dem subtraktiven CMYK-Farbmodell durch das Hinzufügen von (Drucker-)Farbe mehr Licht absorbiert. Als Folge wird der Farbton dunkler. Anders formuliert, das RGB-Modell definiert, was zu schwarz addiert wird, um eine Fareb zu erhalten, das CMY-Modell definiert im Unterschied, was von weiß zu subtrahieren ist. Rot grün und blau sind dann die sekundären Farben.

Die Beziehungen zwischen den beiden Modellen lauten:

C = 1 - R M = 1 - G Y = 1 - B

Zum Drucken farbiger Bilder wurde das Modell von CMY auf CMYK erweitert. K (Black) wird definiert als das Minimum von C, M und Y. Die zusätzliche Farbe Schwarz dient nicht der Farbgebung, sondern lediglich zum Abdunklen von Farben und sie wird verwendet, weil der Zusammendruck der drei Grundfarben zwar theoretisch, aber nicht in der Praxis Schwarz ergibt. Die Druckqualität wird durch die Komponente K erheblich verbessert.

Einer der wesentlichen Vorteile dieses Systems ist es, dass Farbtabellen als Ergebnis der unterschiedlichen Mischung der 4 Farben verwendet werden können. Zu jeder Farbe ist der prozentuale Anteil der vier Grundfarben angegeben, die wiederum zur Definition der Farbe in der Software verwendet werden können.

CMYK-Farbmodell als Würfel

Beim CMYK-Farbmodell, das wie das RGB-Farbmodell durch einen Würfel gebildet wird, bilden die Würfelkanten Vektoren der Länge "1". Diese Einheitsvektoren sind die namen-gebenden Farben Cyan, Magenta und Gelb (Yellow). Das "K" steht für Key und soll sich bewusst von der Bezeichnung Schwarz unterscheiden, da es drucktechnisch nur zur Kontrasterhöhung eingesetzt wird.

CMYK-Farbmodell CMY-Farbmodell Quelle: Geoinformatik-Service, Uni Rostock

CNES

Franz. Akronym für Centre National d'Etudes Spatiales; das CNES ist ein Établissement Public à caractère Industriel et Commercial (EPIC), das damit beauftragt ist, das französische Raumfahrtprogramm auszuarbeiten, der französischen Regierung vorzuschlagen und anschließend im europäischen Rahmen umzusetzen.

Das CNES verfügt über einen Haushalt von 2,78 Milliarden Euro im Jahr 2020, was immer noch der größte in Europa ist (~41 Euro pro Kopf, zweitgrößter der Welt). Darin enthalten ist der Anteil, der an die Europäische Weltraumorganisation ESA abgeführt wird, deren größter Beitragszahler das CNES ist (1,401 Milliarden Euro im Jahr 2020) und der hauptsächlich für wissenschaftliche Missionen (Astronomie, Erforschung des Sonnensystems, Erforschung der Erde) und für Investitionen in Trägerraketen verwendet wird.

Der direkt vom CNES investierte Anteil bezieht sich in der Reihenfolge ihrer Bedeutung auf Trägerraketen und die Verwaltung des Startplatzes Kourou (324 Mio. €, 17 %, im Jahr 2018), militärische Missionen (269 Mio. €, 14 %), wissenschaftliche Missionen (167 Mio. €, 9 %), die Erforschung der Erde in der Regel im Rahmen binationaler Kooperationen (120 Mio. €, 6 %), Entwicklungen rund um Telekommunikations- und Satellitennavigationssatelliten (42 Mio. €, 2 %). Das CNES untersteht der gemeinsamen Aufsicht der Ministerien für Hochschulwesen, Forschung und Innovation sowie des Militärministeriums.

Das CNES wurde auf Initiative von Präsident Charles de Gaulle am 19. Dezember 1961 gegründet, um eine Struktur zur Verfügung zu stellen, die die französischen Raumfahrtaktivitäten, die sich damals auf die Entwicklung der Diamant-Raketen-Trägerrakete konzentrierten, koordinieren und beleben sollte.

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CO2M

CO2M steht für Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring; dabei handelt es sich um eine aus zwei (optional drei) Satelliten bestehende künftige Erdbeobachtungsmission, bei der mit Hilfe von Infrarot-Instrumenten erstmals gezielt gemessen werden soll, wie viel klimaschädliches Kohlenstoffdioxid tatsächlich durch menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre gelangt. Bisher ist es durch Messungen am Boden zwar möglich, die generellen Veränderungen des Kohlenstoffdioxidgehalts in der Atmosphäre zu verfolgen, allerdings können keine verlässlichen Aussagen über die Emissionen einzelner Länder oder gar einzelner Regionen und Städte getroffen werden. Mit der CO2M-Mission soll diese Lücke im verfügbaren Datenmaterial geschlossen werden. Bemerkenswert ist, dass die Mission es möglich machen wird, zwischen natürlichen Kohlendioxidquellen und Quellen zu unterscheiden, die auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen sind. Das ist keine leichte Aufgabe, denn das Kohlendioxid in der Atmosphäre stammt aus vielen Quellen, aber jede Quelle trägt nur einen kleinen Teil bei.

Diese Messungen werden vom neuen Informationssystem CO2M Monitoring and Verification Support Capacity (MVS) genutzt, welches das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen entwickelt, und die schließlich die Unsicherheiten bei den Schätzungen der Kohlendioxidemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe auf lokaler, nationaler und regionaler Ebene verringern wird. Dabei ist CO2M ist die Weltraumkomponente der CO2M Monitoring and Verification Support Capacity (MVS). Diese CO2-MVS ist Teil der nächsten Copernicus-Programmkomponente der Europäischen Kommission und wird gemeinsam von ESA, EUMETSAT und ECMWF durchgeführt. Die von CO2M gesammelten Daten werden dazu dienen, die im Pariser Abkommen festgelegten Ziele zu verfolgen und umzusetzen.

Neben dem Monitoring von CO2 beobachtet CO2M die Wolken- und Aerosolverteilung in der Atmosphäre.

CO2M (Copernicus Carbon Dioxide Monitoring Mission)
CO2M (Copernicus Carbon Dioxide Monitoring Mission) Quelle: ESA

Die neuen Copernicus-Satelliten CO2M basieren auf dem CarbonSat-Konzept des Instituts für Umweltphysik (IUP) der Universität Bremen. Weitere Grundlagen für das CO2M-Konzept sind die Erkenntnisse aus dem Bau des ebenfalls in Bremen unter der wissenschaftlichen Leitung von Professor John P. Burrows entwickelten Satellitensensors SCIAMACHY, der erstmals Kohlendioxid- und Methanemissionen von Weltraum aus bestimmt hat, sowie dem erfolgreichen Einsatz von Flugzeugmessgeräten, wie z.B. den Methane Airborne Mapper (MaMap).

Das Bremer Raumfahrtunternehmen OHB wird als Leiter eines internationalen Industriekonsortiums den Bau der zwei Satelliten der ersten Ausbaustufe übernehmen und damit einen Auftrag im Wert von 445 Millionen Euro erhalten. OHB entwickelt auch die Satellitenplattformen.

Thales Alenia Space wird an OHB die CO2M-Nutzlast liefern, die auf einer modularen Architektur und einem entsprechenden Design basiert:

Die beiden CO2M-Satelliten sollen 2026 nacheinander in die Umlaufbahn gebracht werden und sind für eine Betriebsdauer von 7,5 Jahren ausgelegt, wobei der mitgeführte Treibstoff ihre Lebensdauer auf 12 Jahre verlängern kann.

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CO3D Constellation

Die Mission Optical Constellation in Three Dimensions (CO3D) ist eine Mission der CNES zur hochauflösenden optischen Bildgebung und dreidimensionalen Kartierung. Die Konstellation soll aus vier Satelliten bestehen, die paarweise betrieben werden und auf bis zu zwanzig Satelliten erweitert werden können.

Fähigkeiten der Mission

Jeder CO3D-Satellit wird einen hochauflösenden optischen Bildgeber tragen, der Bilder in den Bändern Rot, Grün, Blau und Nahinfrarot (NIR) liefert. Ziel der Konstellation ist die Erstellung eines weltweiten digitalen Oberflächenmodells (DSM). Diese Modelle werden sowohl für militärische als auch für kommerzielle Zwecke in Bereichen wie Stadtplanung, Geländemodellierung, Präzisionslandwirtschaft und Forstwirtschaft einsetzbar sein.

Leistungsspezifikationen

Der optische CO3D-Imager wird eine räumliche Auflösung von etwa 0,50 m und eine Sensorausleuchtung von 7 km x 5 km haben, mit einem Wellenlängenbereich von 0,40 µm - 0,75 µm in den RGB-Bändern und einem Bereich von 0,75 µm - 1,3 µm in den NIR-Bändern. Das Instrument wird in den ersten vier Betriebsjahren Daten über etwa 123 Mio. km² der Erdoberfläche sammeln.

Weitere Informationen:

Coastal Zone Color Scanner (CZCS)

Das erste Satelliteninstrument, das speziell für die Beobachtung der Ozeanfarbe gebaut wurde. Zwar haben auch Instrumente anderer Satelliten die Ozeanfarbe dokumentiert, aber deren Spektralbänder und Auflösung waren für geographische und meteorologische Zielsetzungen optimiert. Im CZCS war  jeder Parameter für den Einsatz über Wasser optimiert. Der CZCS war auf dem Wettersatelliten Nimbus-7 der NASA installiert. Er wurde 1986 abgeschaltet.

CODE-DE

CODE-DE ist der nationale Zugang zu allen Daten des Copernicus-Programms über Deutschland für Anwender in Deutschland. CODE-DE ist Teil der Geoinformationsstrategie Deutschlands.

Hier findet man sowohl die aktuellen Daten aller operationellen Sentinel-Satelliten wie auch die Daten der sechs Copernicus-Dienste. Behörden, Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Privatpersonen können diese Daten kostenlos herunterladen und benutzen. Es ist lediglich eine Registrierung auf CODE-DE erforderlich.

Das Supportangebot von CODE-DE umfasst neben online verfügbaren Informationen wie FAQs und Knowledgebase-Artikel auch einen deutsch- und englischsprachigen Helpdesk. Zusätzlich führt das CODE-DE Team regelmäßig OnlineSeminare durch, die auf die unterschiedlichen Bedarfe der Nutzenden zugeschnitten sind, und nimmt aktiv an verschiedenen Konferenzen und Veranstaltungen teil.

Die Plattform bietet daneben auch die Möglichkeit der Online-Datenverarbeitung. Ausgewählte Nutzergruppen können die Online-Prozessierungs-Power von CODE-DE nutzen, um maßgeschneiderte Informationsprodukte zu erstellen, ohne eigene Rechnerkapazitäten aufbauen zu müssen. Sowohl die Nutzung von Toolboxen auf CODE-DE als auch die Integration externer Prozessoren in die CODE-DE Rechnerinfrastruktur wird dabei unterstützt.  

Durch die Anbindung an eines der größten Online-Datenarchive für Satellitendaten der Europäischen Copernicus-Mission stehen insgesamt mehr als 18 PB an aktuellen und historischen Sentinel- und Landsat-Daten zur Verfügung und können entweder direkt in der CODE-DE Cloud prozessiert oder auch heruntergeladen werden.

Um welche Daten geht es dabei konkret?

Copernicus besteht aus der so genannten Sentinel-Familie, einer Serie von Erdbeobachtungssatelliten, die eigens für Copernicus gebaut und von der europäischen Weltraumagentur ESA betrieben werden. Diese werden ergänzt durch In-situ-Messsysteme am Boden, in der Luft und in unseren Gewässern. Die Copernicus-Dienste analysieren und verarbeiten diese Datenfülle zu Informationsprodukten. Zum Beispiel tagesaktuelle Karten für die Überwachung der Meere und ihrer Umwelt inklusive der Schifffahrt, für das Katastrophen- und Krisenmanagement oder für das Monitoring von Veränderungen der Atmosphäre und des Klimas, von Vegetation und der Landnutzung.

Wer kann diese Daten nutzen?

Und was müssen die Nutzer dabei beachten? Alle Copernicus-Daten und -Dienste sind öffentlich zugänglich und können kostenfrei genutzt werden, für regionale, nationale, europäische, internationale und kommerzielle Anwendungen. Copernicus stellt somit allen Interessierten – Bürgern, Behörden, Entscheidungsträgern, Wissenschaftlern, Unternehmen und Firmen – auf einer vollständigen, freien und offenen Grundlage eine ganze Welt des Wissens zu unserem Planeten zur Verfügung.

Das Kapitel "Erste Schritte" enthält wichtige Informationen über die Nutzung des Portals, die Registrierung bei CODE-DE und das Verfahren zur Beantragung von Ressourcen.

Weitere Datenportale

Der Copernicus Open Access Hub stellte Ende Oktober 2023 seinen Betrieb ein. Um weiterhin auf Copernicus Sentinel-Daten zugreifen zu können, müssen sich die Nutzer selbst im neuen Copernicus Data Space Ecosystem registrieren. Ein Leitfaden für die Migration ist hier verfügbar.

Der neue Dienst bietet Zugang zu einer breiten Palette von Erdbeobachtungsdaten und -diensten sowie zu neuen Tools, grafischen Benutzeroberflächen und APIs, die den Nutzern bei der Erkundung und Analyse von Satellitenbildern helfen. Weitere Informationen über das Copernicus Data Space Ecosystem findet man unter https://dataspace.copernicus.eu.

Die Daten der Sentinel-Satelliten können auch direkt über den Copernicus Open Access Hub der ESA heruntergeladen werden. Alle Daten sind frei und offen zugänglich.  Die ESA bietet zudem eine Beschreibung der vorhandenen Datensätze und eine Download-Anleitung.

Das CODA-Portal von EUMETSAT  bietet Zugang zu allen Sentinel-3 Marine- und Atmosphären-Produkten. Der Zugriff erfolgt entweder über einen FTP-Client oder über eine Benutzeroberfläche. Der FTP wird den Zugang zu einem festen Satz globaler und regionaler Meeres- und Atmosphärendaten ermöglichen. Beide Dienste bieten einen einfachen Download über Script-Schnittstellen.

Rund vierzig Satelliten institutioneller und kommerzieller Betreiber tragen Daten zum Copernicus-Programm bei. Diese Daten fließen in das Copernicus „Data Warehouse“ ein und können entweder von bestimmten Anwendergruppen oder von allen genutzt werden. Die ESA stellt die Daten auf ihrem Copernicus Space Component Data Access (CSCDA) Datenportal zur Verfügung.

Der EO-Browser ermöglicht das Durchsuchen eines umfangreichen Archivs von Erdbeobachtungsprodukten, wie Sentinel-, Landsat- und Envisat-Daten. Er bietet die Möglichkeit, Daten zu visualisieren und in den Formaten .png und .jpg zu speichern sowie die Rohdaten der Satellitenbilder herunterzuladen. Sie können den EO Browser hier öffnen: https://browser.code-de.org.

Open source Software zur weiteren Bearbeitung der Sentinel-Daten

Eine Vielzahl kostenfreier Programme findet man auf CODE-DE und auch drei Kurztutorials zur Einfühung in die wichtigsten Funktionen von CODE-DE.

Die Sentinel Application Platform (SNAP) beinhaltet u.a. Grundfunktionen der Satellitendaten Prozessierung. Weitere Informationen und Online Tutorials findet man auf den Seiten der ESA.

Copernicus Products Portfolio Search Tool

Mit dem Copernicus products portfolio search tool hat die Europäische Kommission eine Suchmaschine entwickelt, die den Zugang zu Copernicus-Daten und Produkten erleichtert. Die Informationen sind über drei verschiedene Suchmethoden abrufbar:

Ab April 2020 wird das Portal in einer zweiten Phase weiterentwickelt und optimiert. Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) hat das DLR Raumfahrtmanagement nun die Firmen CloudFerro und Pixely Technologies mit der Umsetzung und Bereitstellung der Dienste bis zum Jahr 2022 beauftragt. Die Firmen sollen auch eine Anbindung an die europäische EO Plattform CREODIAS herzustellen.

Weitere Informationen:

Colored dissolved organic matter (CDOM)

Colored dissolved organic matter (CDOM), dt. farbige gelöste organische Stoffe sind die optisch messbare Komponente der gelösten organischen Stoffe (Dissolved Organic Carbon, DOC) im Wasser. CDOM, auch bekannt als chromophores gelöstes organisches Material, gelbe Substanz und Gelbstoff, kommt in der Natur in Gewässern vor und ist ein komplexes Gemisch aus vielen Hunderten bis Tausenden einzelner, einzigartiger organischer Moleküle, die vor allem aus verrottendem Detritus und organischem Material ausgelaugt werden.

CDOM absorbieren am stärksten kurzwelliges Licht von blau bis ultraviolett, während reines Wasser längerwelliges rotes Licht absorbiert. Daher erscheint Wasser mit wenig oder gar keinem CDOM, wie z. B. der offene Ozean, blau. Wasser mit hohem CDOM-Gehalt kann von braun, wie in vielen Flüssen, bis gelb und gelb-braun in Küstengewässern reichen. Im Allgemeinen sind die CDOM-Konzentrationen in Binnengewässern und Flussmündungen viel höher als im offenen Ozean, obwohl die Konzentrationen sehr unterschiedlich sind, ebenso wie der geschätzte Beitrag von CDOM zum Gesamtpool der gelösten organischen Stoffe.

Die Konzentration von CDOM kann sich erheblich auf die biologische Aktivität in aquatischen Systemen auswirken. CDOM schwächt die Lichtintensität, wenn es ins Wasser eindringt. Sehr hohe Konzentrationen von CDOM können die Photosynthese einschränken und das Wachstum des Phytoplanktons hemmen, das die Grundlage der ozeanischen Nahrungsketten bildet und eine Hauptquelle für atmosphärischen Sauerstoff ist. Der Einfluss von CDOM auf die Photosynthese von Algen kann jedoch in anderen aquatischen Systemen wie Seen komplex sein, wo CDOM die Photosyntheseraten bei niedrigen und mäßigen Konzentrationen erhöht, bei hohen Konzentrationen jedoch verringert. CDOM absorbiert auch schädliche UVA/B-Strahlung und schützt so die Organismen vor DNA-Schäden.

Das folgende Echtfarbenbild von Landsat 8 zeigt die Winyah Bay in South Carolina am 1. Oktober 2020. Die Bucht wird von einer Reihe von Schwarzwasserflüssen gespeist, deren dunkle, rötliche Farbtöne auf die Absorptionseigenschaften von CDOM zurückzuführen sind, das von einigen metaphorisch als Tee der Natur bezeichnet wird. CDOM wird auch im offenen Ozean produziert, allerdings in viel geringeren Konzentrationen.

South Carolinas Winyah Bay - Landsat 8-Aufnahme (1.10.2020)CO2M (Copernicus Carbon Dioxide Monitoring Mission) Quelle: NASA

CDOM kann vom Weltraum aus mit Hilfe der Satellitenfernerkundung nachgewiesen und gemessen werden und stört häufig den Einsatz von Satellitenspektrometern zur Fernabschätzung der Phytoplanktonpopulationen. Als ein für die Photosynthese notwendiges Pigment ist Chlorophyll ein Schlüsselindikator für den Phytoplanktonbestand. CDOM und Chlorophyll absorbieren allerdings beide Licht im gleichen Spektralbereich, so dass es oft schwierig ist, zwischen den beiden zu unterscheiden.

Obwohl Schwankungen des CDOM in erster Linie das Ergebnis natürlicher Prozesse sind, wie z. B. Veränderungen der Niederschlagsmenge und -häufigkeit, können sich auch menschliche Aktivitäten wie Holzeinschlag, Landwirtschaft, Abwassereinleitung und Entwässerung von Feuchtgebieten auf den CDOM-Gehalt in Süßwasser- und Ästuarsystemen auswirken.

Columbus Eye

Didaktisches Projekt der Arbeitsgruppe Geomatik am Geographischen Institut der Ruhr Universität Bochum, anfänglich des Geographischen Instituts der Universität Bonn. Es dient der nachhaltigen Integration der ISS-Bilddaten in den naturwissenschaftlichen Schulunterricht. Das Projekt mit der ausführlichen Bezeichnung „Columbus Eye: Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht“ wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert und partizipiert als einziger europäischer Partner am NASA-Experiment „High Definition Earth Viewing“ (HDEV). Inzwischen hat das Projekt seine Hauptaufgabe verloren.

Seit dem 22. August 2019 ist keine Kommunikation mehr mit den vier HD-Kameras an Bord der Internationalen Raumstation ISS möglich. Damit endet das High Definition Earth Viewing Experiment der NASA und auch die Zusammenarbeit mit den amerikanischen Kollegen. Auch wenn diese Videoquelle nun keine Daten mehr liefern kann, sind hunderte Highlight-Videos im Archiv verfügbar. Auch werden weiterhin innovative Unterrichtsmaterialien mit tollen Bildern von anderen Sensoren auf der ISS weiterhin hier für Sie veröffentlicht.

Das Erdbeobachtungsexperiment umfasste vier commercial off-the shelf (COTS) Kameras, welche im April 2014 am Columbus Labor der ISS montiert und in Betrieb genommen worden sind. Die COTS-Kameras deckten im stündlichen Turnus drei Perspektiven ab. Im Rahmen von HDEV untersuchte die NASA, ob die COTS-Kameras für kommende Weltraummissionen, wie beispielsweise zum Mond oder zum Mars, geeignet sein könnten. Die Kameras filmten die Erde 24 Stunden am Tag und sieben Tage die Woche aus unterschiedlichen Perspektiven.

Als Partner von HDEV war das Projekt Columbus Eye somit auch am Empfang und an der Veröffentlichung des Videomaterials beteiligt. Die Verbreitung der HDEV-Aufnahmen und der darauf basierenden Unterrichtsmaterialien geschieht weiterhin über das projekteigene Internetportal. Neben einem Livestream von der ISS, wurden hier interessante Sequenzen aus den Überflügen als ‚Highlights‘ veröffentlicht.

Die wichtigste Komponente im Portal stellt jedoch die Unterrichtsmaterialien dar. Fernerkundungsdaten können durch ihre hohe Anschaulichkeit einen wichtigen Beitrag zur medienbasierten Wissensvermittlung von Themen des Schulcurriculums leisten. Hierbei kann nicht nur der Geographieunterricht durch die Erdbeobachtung innovativ gestaltet werden. Auch andere MINT-Fächer – der Begriff leitet sich aus den Fachbereichen Mathematik, Information, Naturwissenschaft und Technik ab – können von Fernerkundungsdaten und den einhergehenden Perspektivenwechsel der Schülerinnen und Schüler (SuS) profitieren.

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Committee on Space Research (COSPAR)

Dt. Ausschuss für Weltraumforschung, der globale Dachverband für wissenschaftliche Aktivitäten auf dem Gebiet der Weltraumforschung. Die Gründung des COSPAR erfolgte im Jahr 1958. Es sollte am Beginn des „Space Age“ (Start der ersten künstlichen Erdsatelliten Sputnik 1, 1957) ein weltweites Forum für Wissenschaftler werden, die auf Gebieten der Erdatmosphäre, der Weltraumkunde und erdnahen Astronomie tätig sind.

Die Organisation fördert im Speziellen weltraumbezogene Grundlagenforschung und ihre Anwendung mit Raumsonden, Raketen und Ballonsonden. Sie unterliegt den Grundsätzen der ICSU, d. h., sie behandelt alle Fragen – möglichst frei von politischen Rücksichten – aus wissenschaftlichem Blickwinkel. In der Anfangsphase des Kalten Krieges durch eine Vereinbarung der US-amerikanischen mit der sowjetischen Akademie entstanden, wurde COSPAR eine frühe und wichtige Brücke zwischen Ost und West. Die maßgebliche Rolle dieser beiden Akademien ist in der Struktur von COSPAR festgeschrieben.

Besondere Betonung legt COSPAR auf den Austausch von Daten und Resultaten, auf deren international zugängliche Publikation und auf internationale Forschungsprojekte. Mittel zu diesen Zielen sind vor allem die Organisation wissenschaftlicher Tagungen, die Herausgabe spezieller Berichte und von einschlägigen Zeitschriften, aber auch die Einrichtung fortlaufend arbeitender Projektgruppen.

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Compass

Zeitweise, in der Projektentwicklungsphase (bis Ende 2012) verwendete Bezeichnung für das chinesische Satellitennavigationssystem BeiDou Navigation System.

Composante Spatiale Optique (CSO)

Composante Spatiale Optique (dt. Optische Weltraumkomponente) ist ein französisches Programm identischer militärischer Erdbeobachtungssatelliten im optischen und infraroten Bereich. Es wird die HELIOS II-Satelliten ersetzen. Zuerst als französischer Beitrag für das europäische Musis-Programm geplant, wurde es nach dessen Einstellung zu einem rein französischen Programm. Im April 2015 wurde eine Vereinbarung zwischen Frankreich und Deutschland getroffen, wonach Deutschland 210 Mio. € zum Bau eines dritten Satelliten beiträgt und im Gegenzug Zugangsrechte zu den Bildern erhält. Schweden ist auch Programmpartner, was die Nutzung einer polaren Bodenstation ermöglicht.

Die CSO-Konstellation wird drei optische polarumlaufende Satelliten in unterschiedlichen Höhen umfassen, um eine Doppelmission zu erfüllen: eine Aufklärungsmission aus 800 km Höhe, die darauf ausgerichtet ist, eine großflächige Abdeckung, die Bilderfassung von Gefechtsschauplätzen und eine hohe Wiederbesuchsfähigkeit zu gewährleisten, und eine Identifikationsmission auf 480 km Höhe, um Bilder mit der höchstmöglichen Auflösung, Qualität und analytischen Präzision zu liefern.

Im Unterschied zu den HELIOS-Satelliten, die den gleichen Bus wie die Spot-Satelliten benutzen, wird CSO Technologien benutzen, die vom Pléiades-Programm abgeleitet sind. Der Bau der Satelliten wurde an Airbus Defence and Space vergeben, die optische Nutzlast wird von Thales Alenia Space hergestellt. Der erste Erdbeobachtungssatellit des CSO-Programms wurde am 19. Dezember 2018 an Bord einer Sojus-Trägerrakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana erfolgreich gestartet, der zweite am 29.12.2020. Das dritte Exemplar wird voraussichtlich 2024 folgen.

Die CSO-Satelliten verfügen über ein äußerst flexibles Ausrichtsystem und werden von einem sicheren Bodenkontrollzentrum aus gesteuert. Es werden bei gyroskopischen Stellantrieben, Faserkreiseln, Bordelektronik und Steuersoftware zur Gewichts- und Trägheitsoptimierung Komponenten der neusten Generation ein, sodass der Satellit erheblich schneller ausgerichtet werden kann.

Als Hauptauftragnehmer des CSO-Satellitenprogramms lieferte Airbus die flexible Plattform und die Avionik und war für Integration, Test und Auslieferung der Satelliten an die französische Raumfahrtagentur CNES zuständig. Thales Alenia Space lieferte das sehr hoch auflösende optische Instrument an Airbus. Der Betrieb des Nutzerbodensegments bleibt weiterhin in den Händen der Airbus-Teams, wie dies auch bei anderen Programmen (Helios, Pléiades, SarLupe, Cosmo-Skymed) der Fall ist.

CONAE

Span. Akronym für Comisión Nacional de Actividades Espaciales; Raumfahrtbehörde Argentiniens. Sie wurde im Jahr 1991 gegründet, ist dem Außenministerium unterstellt und ist damit eine rein zivile Organisation.

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Cop4ALL-DE

Fernerkundungsverfahren zur Aktualisierung von ATKIS und ALKIS sowie zur Ableitung und Aktualisierung der Landbedeckung. Die Klassifikation der Landbedeckung erfolgt auf Grundlage einer kombinierten Bildanalyse der Sentinel-2-Aufnahmen sowie der aktuell zur Verfügung stehenden Digitalen Orthophotos. Hierbei werden Verfahren der künstlichen Intelligenz eingesetzt. Die Fernerkundungsdaten werden in einem weiteren Verfahrensschritt ebenfalls zur Ermittlung von Veränderungshinweisen zur Aktualisierung von ALKIS (Amtliches Liegenschaftskataster-Informationssystem) und ATKIS (Amtliches Topographisch-Kartographisches Informationssystem) genutzt.

Präzise Informationen zur Bedeckung der Erdoberfläche bilden die Grundlage für die meisten umweltrelevanten Fragestellungen, sei es zum Versiegelungsgrad des Erdbodens, zur Landschaftsplanung, für Klimasimulationen oder auch für die Berichterstattung an die Europäische Kommission.

Zur Beantwortung dieser Fragen haben alle Länder und der Bund am 15. Mai 2023 nach dem Ansatz „Einer für Alle“ die gemeinsame Technische Betriebsstelle „Landbedeckung“ eingerichtet. Die Leitung der Technischen Betriebsstelle ist bei der Bezirksregierung Köln, Geobasis NRW und dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) als Doppelspitze angesiedelt. Der Landesbetrieb IT.NRW übernimmt die länderübergreifende Administration und Koordination der IT-Infrastruktur.

Die Daten zur Landbedeckung werden durch die Betriebsstelle aktuell, geometrisch genau und bedarfsorientiert für die gesamte Bundesfläche bereitgestellt. Zur Berechnung der Landbedeckung werden maßgeblich die Satellitendaten des europäischen Copernicus-Programms sowie die bei den Bundesländern vorliegenden Luftbilder verwendet. Die Auswertung dieser Fernerkundungsdaten erfolgt über automationsgestützte, pixelweise Klassifikationsverfahren sowie Verfahren der Künstlichen Intelligenz. Die Klassifikation leitet 15 Landbedeckungsklassen ab. Um den gemeinsamen Zugriff der Länder auf die Berechnungen zu gewähren, wird zukünftig die Infrastruktur der Deutschen Verwaltungscloud (DVC) genutzt.

Die Grundlagen für die Ableitung der Landbedeckung wurden bei der Bezirksregierung Köln, Geobasis NRW gelegt. Geobasis NRW hat in den vergangenen Jahren das Verfahren Cop4ALL NRW (Copernicus zur Ableitung der Landbedeckung) entwickelt und auf der Copernicus-Daten-Infrastruktur bei IT.NRW implementiert. Mit Cop4ALL NRW wurde zum Stichtag 1. April 2022 die Landbedeckung für Nordrhein-Westfalen erstmalig flächendeckend und vollautomatisiert abgeleitet. Der Zugang zu der Landbedeckung in NRW erfolgt über den Link  https://lmy.de/rQqLACPM (Ausschnitt von Köln und Umgebung).

Die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland (AdV) hat sich im November 2022 dafür ausgesprochen, das Verfahren Cop4ALL NRW einzusetzen, weiter zu entwickeln und die Landbedeckung für Deutschland an zentraler Stelle abzuleiten. Das Verfahren nennt sich zukünftig Cop4ALL-DE. Mit Cop4ALL-DE wird erstmalig die Landbedeckung ganz Deutschlands nach einheitlichen Spezifikationen in einer nie dagewesenen geometrischen Auflösung erfasst und in regelmäßigen Abständen aktualisiert. Ziel ist es, im Sommer 2024 einen bundesweiten Datensatz der Landbedeckung der Öffentlichkeit anzubieten.

Die Daten der Landbedeckung werden als interaktive Webkarten zur Verfügung gestellt. Auch ein Download der Daten ist vorgesehen. Die Informationen zur Landbedeckung werden von vielen Behörden des Bundes und der Länder genutzt. Insbesondere das Statistische Bundesamt und die entsprechenden Landesbehörden können dann ihre Analysen auf höher aufgelösten Landbedeckungsdaten durchführen.

Im Vergleich zum europaweiten Landbedeckungsmodell Corine hat Cop4ALL eine geringere Mindesterfassungsgröße (10 bis 100 m² gegenüber zu 5-25 ha bei CORINE) und wird vrsl. mit deutlich höherer Aktualität bzw. kleineren Updatezyklen angeboten. Bei CORINE werden dagegen mehr thematische Klassen erfasst (~40 im Vergleich zu 15 bei Cop4ALL).

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Copernicus

Copernicus ist seit Dezember 2012 der neue Name des Erdbeobachtungsprogramms der Europäischen Kommission, zuvor unter dem engl. Akronym GMES (Global Monitoring for Environment and Security, dt. Globale Umwelt- und Sicherheitsüberwachung) geführt.

Der neue Name soll dazu beitragen, überall und auf allen sozio-ökonomischen Ebenen das Copernicus-Programm stärker ins allgemeine Bewusstsein zu rücken – und dadurch letztlich auch Möglichkeiten für Wachstum und Beschäftigung schaffen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den regionalen und lokalen Akteuren, unabhängig davon, ob es sich um Behörden, private Unternehmen oder Bürger handelt.

Mit der Namensänderung von GMES zu Copernicus würdigt die Kommission einen großen europäischen Wissenschaftler und Naturbeobachter: Nikolaus Kopernikus. Seine Theorie des heliozentrischen Weltbilds gilt als wichtigster Vorläufer der modernen Wissenschaft. Er stieß für die Menschheit das Tor zum unendlichen Universum auf, nachdem dieses zuvor als ein Raum verstanden worden war, in dessen Mittelpunkt die Erde lag, um die sich Sonne und Planeten bewegten – Kopernikus schuf damit eine Welt ohne Grenzen. Die Menschheit zog aus seinem Verständnis einen großen Nutzen, da auf diese Weise der Funken wissenschaftlichen Forschens entzündet wurde, der es uns schließlich ermöglicht hat, die Welt, in der wir leben, besser zu verstehen.

Das Ziel des Copernicus-Programms ist es, eine europäische Komponente der globalen Erdbeobachtung zu schaffen, die grenzüberschreitend politische Entscheidungsprozesse der EU und ihrer Mitgliedstaaten unterstützt. So soll Copernicus durch den Aufbau einer modernen und leistungsfähigen Infrastruktur für Erdbeobachtung und Dienstleistungen der Geoinformation unter anderem:

Das politische Mandat für die Copernicus-Initiative wurde im Juni 2001 auf dem EU-Gipfel von Göteborg und mit der Entschließung des Rates erteilt, "bis 2008 eine operative und autonome europäische Kapazität aufzubauen". Mit Copernicus schafft die Europäische Union in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA und den nationalen Systemen eine eigenständige, europäische Kapazität zur operationellen Bereitstellung globaler Erdbeobachtungsinformationen.

Mit der Zustimmung des Europäischen Parlaments zum Finanzrahmen des Programms für die Jahre 2014-2020 im Juli 2013 kann Copernicus durch die Bereitstellung von 3.786 Millionen Euro umgesetzt werden. Rechtliche Grundlage ist die EU-Verordnung Nr. 377/2014 zur Einrichtung des Programms Copernicus vom 3. April 2014.

Unter dem Dach von Copernicus werden europaweit Geoinformationen der Mitgliedstaaten gebündelt. Bestehende Informationslücken werden hierbei gezielt geschlossen.

Politik, Öffentlichkeit, Verwaltung, Wirtschaft und Forschung sind in hohem Maße auf umfassende und aktuelle Informationen über den Zustand der Umwelt angewiesen. In Deutschland werden leistungsfähige Messnetze betrieben, um meteorologische, hydrologische oder geodätische Parameter ständig und in hoher Qualität zu erfassen. Für die Daseinsvorsorge haben diese Daten eine besondere Relevanz. Aber auch Messungen der Luftqualität, wie Ozon- und Feinstaubkonzentrationen, der Pegelstände an Flüssen, der Schneehöhen oder des Wellengangs spielen alltäglich eine wichtige Rolle. Bei der Erzeugung global einheitlicher, aktueller Datensätze sind satellitengestützte Erdbeobachtungssysteme ebenfalls von besonderer Bedeutung. In Deutschland ist das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur BMVI für Copernicus verantwortlich.

Ein zunehmender Bedarf an Umweltinformationen resultiert auch aus internationalen Verpflichtungen wie der Europäischen Gesetzgebung, der Klimarahmenkonvention (UNFCCC) oder dem Kyoto-Protokoll.

Copernicus-Komponenten Was ist Copernicus? - Die Copernicus-Komponenten in schematischer Darstellung

Copernicus ist das Erdbeobachtungsprogramm der Europäischen Union, das sich mit unserem Planeten und seiner Umwelt zum größtmöglichen Nutzen aller europäischen Bürger befasst. Es bietet Informationsdienste auf der Grundlage von satellitengestützter Erdbeobachtung und In-situ-Daten (Nicht-Weltraumdaten) an.

Das Programm wird von der Europäischen Kommission koordiniert und verwaltet. Es wird in Partnerschaft mit den Mitgliedstaaten, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), der Europäischen Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten (EUMETSAT), dem Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen (ECMWF), den EU-Agenturen und Mercator Océan umgesetzt.

Quelle: ESA

Copernicus-Dienste:

Den Kern von Copernicus bilden Informationsdienste, die Erdbeobachtungsinformationen analysieren, aufbereiten und politischen Entscheidungsträgern sowie europäischen, nationalen, regionalen und lokalen Nutzern zur Verfügung stellen. Für die Copernicus-Dienste hat die Bundesregierung fachliche Koordinatoren benannt: die sogenannten Fachkoordinatoren. Ihre Aufgaben sind vielfältig. Sie begleiten die Copernicus-Dienste fachlich und unterstützen die Bundesregierung bei der Entwicklung dieser Dienste. Sie informieren und beraten Nutzer in Deutschland (einschließlich Behörden auf Landes-, ggf. auch kommunalen Verwaltungsebenen, sowie kommerzielle Nutzer) über die Copernicus-Dienste und deren Anwendungsmöglichkeiten, und sie vertreten die Bundesrepublik Deutschland im Copernicus-Nutzerforum der EU.

Bei den Informationsdiensten wird zwischen Kerndiensten und abgeleiteten ("Downstream") Diensten unterschieden.

Die ersten Kerndienste sind seit 2012 in Betrieb. Dies sind

Im prä-operationellen Betrieb sind

Weitere Dienste zur Überwachung des Klimawandels und zur Unterstützung von Aufgaben der zivilen Sicherheit werden vorbereitet.

Die Weltraumkomponente von Copernicus:

Umweltveränderungen sind nicht an nationale Grenzen gebunden. Die für eine globale Umweltüberwachung notwendige umfassende und einheitliche Datengrundlage im globalen Maßstab ist ohne Satellitensysteme nicht denkbar. Der Anspruch, einen unabhängigen Zugang zu globalen Erdbeobachtungsdaten zu schaffen, charakterisiert daher die herausragende Bedeutung der satellitengestützten Erdbeobachtung von Copernicus.

Das Herzstück der Copernicus-Weltraumkomponente sind fünf eigens für Copernicus entwickelte Satellitenmissionen, die ESA Sentinels. Weitere, sog. beitragende Missionen (Contributing Missions), vor allem aus nationalen Raumfahrtprogrammen, kommerzielle europäische Missionen sowie die meteorologischen Missionen der European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) erfassen wichtige Daten für die Copernicus-Dienste.

Das Programmvolumen für den Aufbau Weltraumkomponente (2005 bis 2018) das von EU und ESA-Budgets getragen wird, umfasst ca. 2,9 Mrd. Euro. Der deutsche Anteil beträgt hierbei ca. 770 Mio. Euro.

Die beitragenden Missionen sind und bleiben ein Kernbestandteil der Copernicus Weltraumkomponente. Die ESA verhandelt mit deren Eigentümern den benötigten Datenzugriff und Nutzungslizenzen. Dies geschieht im Rahmen des Copernicus „Data Warehouse“. Auch die Daten der beitragenden Missionen werden über das Datenportal der ESA bereitgestellt. Je nach Datenprodukt sind sie für verschiedene Nutzergruppen lizensiert – teilweise auch für nationale Einrichtungen oder die Öffentlichkeit.

Über das Data Warehouse stehen den Copernicus Diensten die Daten von derzeit über 30 einzelnen Missionen zur Verfügung. Auch die deutschen Missionen TerraSAR-X und RapidEye sind im Data Warehouse einbezogen. Beitragende Missionen werden langfristig ein wichtiger Teil der Weltraumkomponente bleiben. Denn die Sentinels werden bewusst so ausgelegt, dass sie die europäischen nationalen und kommerziellen Missionen ergänzen – nicht ersetzen.

Die Sentinel-Missionen der ESA sind das Ergebnis einer Bedarfsanalyse vor dem Hintergrund bestehender Missionen und dem Bedarf der Copernicus-Kerndienste:

Nach Abschluss der Systementwicklung ist die Europäische Kommission für die Sicherstellung des langfristigen Betriebs der Weltraumkomponente verantwortlich. Sie erfährt hierbei Unterstützung durch die europäischen Mitgliedstaaten. Vier Wächer-Satelliten werden eine Weiterentwicklung erfahren (Sentinel-1NG, -2NG, -3NG und -6NG), dazu kommen sechs neue Wächtermissionen.

Die ESA hat im November 2020 neue Verträge für die nächsten drei geplanten Copernicus-Satelliten unterzeichnet. Gemeinsam mit Partnern aus den ESA-Mitgliedsländern werden Thales Alenia Space in Frankreich und Italien sowie Airbus in Spanien die Missionen CHIME, CIMR und LSTM entwerfen. Mehrere deutsche Unternehmen sind maßgeblich an der Entwicklung der wissenschaftlichen Instrumente beteiligt.

Jede dieser Satellitenmissionen wird dazu beitragen, dringende ökologische Herausforderungen zu bewältigen. Dazu gehören eine nachhaltige Landwirtschaft und daraus resultierend Ernährungssicherheit, die Überwachung der polaren Eiskappen um eine integrierte EU-Politik für die Arktis zu entwickeln oder die kontinuierliche Erfassung von Daten zu den Auswirkungen des Klimawandels.

Insgesamt sind sechs neue Sentinel Satellitenfamilien zur Erweiterung des Europäischen Copernicus-Programmes geplant. Sie sollen die Fähigkeiten der bereits vorhandenen „Sentinels“ ergänzen und Lücken beim Bedarf der Nutzer von Copernicus-Satellitendaten schließen.

Die Entwicklung und der Betrieb der neuen Sentinel-Satelliten werden, vorbehaltlich der Verfügbarkeit von Haushaltsmitteln, gemeinsam von der Europäischen Kommission und der ESA finanziert.

Service für Daten- und Informationszugang - DIAS

Um den Zugang zu den Daten zu erleichtern und zu standardisieren, hat die Europäische Kommission die Einrichtung von fünf Cloud-basierten Plattformen finanziert, die einen zentralen Zugang zu Copernicus-Daten und -Informationen sowie zu Verarbeitungswerkzeugen bieten. Diese Plattformen werden als DIAS (Data and Information Access Services) bezeichnet.

Die fünf DIAS-Online-Plattformen ermöglichen es den Nutzern, Copernicus-Daten und -Informationen zu entdecken, zu bearbeiten, zu verarbeiten und herunterzuladen. Alle DIAS-Plattformen bieten Zugang zu Copernicus-Sentinel-Daten sowie zu den Informationsprodukten der sechs operativen Dienste von Copernicus, zusammen mit cloudbasierten Tools (Open Source und/oder auf Pay-per-Use-Basis).

Jede der fünf konkurrierenden Plattformen bietet auch Zugang zu zusätzlichen kommerziellen Satellitendaten oder weltraumunabhängigen Datensätzen sowie Premium-Angebote in Bezug auf Unterstützung oder Priorität. Dank eines einzigen Zugangspunkts für die gesamten Copernicus-Daten und -Informationen ermöglicht DIAS den Nutzern, ihre eigenen Anwendungen in der Cloud zu entwickeln und zu hosten, ohne dass sie umfangreiche Dateien von mehreren Zugangspunkten herunterladen und lokal verarbeiten müssen.

Unter folgendem Link findet man eine Übersicht über herkömmliche Datenzugriffsknoten: Conventional Data Access Hubs

Ergänzende Daten aus dem All

Ergänzt werden die Sentinel-Daten, insbesondere in der frühen Phasen von Copernicus, durch beitragende Missionen der ESA, den Mitgliedsstaaten, EUMETSAT und anderen europäischen und internationalen Institutionen. Einige dieser Missionen stellen ihre Daten generell kostenfrei zur Verfügung; Datensätze anderer Missionen werden speziell für das Copernicus-Programm – primär für die Copernicus Kerndienste, FP7, bzw. Horizon2020-Forschungsprojekte und öffentliche Verwaltungen – hinzugekauft und von der ESA über das ESA Data Warehouse zur Verfügung gestellt:

Copernicus Contributing Missions Copernicus-Komponenten Quelle: ESA

Die In-situ-Komponente von Copernicus:

Alle nicht aus dem Weltraum gewonnenen Daten fallen im Copernicus-Programm unter den Begriff In-situ-Daten. Sie werden von den einzelnen Mitgliedsstaaten erhoben und in einigen Fällen untereinander koordiniert. Für die Nutzung dieser Daten werden spezielle Lizenzen und Schnittstellen vereinbart. Die In-situ-Komponente wird im Auftrag der Europäischen Kommission durch die Europäische Umweltagentur (EEA) koordiniert. In-situ-Daten stammen von meteorologischen Sensoren, Wetterballonen, Seebojen und Flusspegelsonden, oder von Befliegungen mit Fernerkundungsinstrumenten. Auch digitale topographische Karten und Höhenmodelle, Orthophoto-Mosaike, Schutzgebietskataster, das Straßennetz sowie thematische Karten (Wald, Siedlungsstruktur, Gewässernetz etc.) und statistische Karten (Bevölkerungsverteilung etc.) werden zu den In-situ-Daten gerechnet.

Die In-situ-Komponente steht vor der Herausforderung, die Bedürfnisse und Datenlücken im Zusammenhang mit dem Zugang zu den europäischen In-Situ-Beobachtungsdaten für das Copernicus-Programm zu analysieren und daraus qualitätsgeprüfte Daten in einer einheitlichen und für alle Nutzerkreise komfortablen Dateninfrastruktur zur Verfügung zu stellen. Koordiniert werden die Arbeiten von der Europäischen Umweltagentur (EEA). Ziel ist es, die Anforderungen durch die Copernicus-Dienste zu katalogisieren und Rahmenbedingungen und Pilotvereinbarungen zu entwickeln, die den Zugang zu allen relevanten Daten rechtzeitig und nachhaltig gewährleisten können.

Gemäß der europäischen INSPIRE-Richtlinie werden diese In-situ-Daten nach und nach mit der gemeinsamen europäischen Geodateninfrastruktur verknüpft.

In Deutschland kann man im Geoportal GDI-DE raumbezogene Daten (Geodaten) von Bund, Ländern und Kommunen suchen und nutzen. Eurostat und die EEA bieten zusätzliche, europaweite Daten kostenlos an. Beispiele hierfür sind die In-situ Datensätze des Digitalen Oberflächenmodells von Europa (EU-DEM) und des Projektes Lucas von Eurostat.

Zentrale Anlaufstelle für Informationen zu den Copernicus In-situ-Daten, den Nutzungsbestimmungen und den Zugangsmöglichkeiten ist die In-situ-Daten Website der Europäischen Kommission.

Copernicus und T-Systems

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) setzt auf T-Systems als Dienstleistungsanbieter für das Copernicus Data Space Ecosystem. Die Erdbeobachtungskomponente des EU-Weltraumprogramms wird in Partnerschaft mit der Europäischen Weltraumorganisation durchgeführt. Sie bietet Informationsdienste zum größtmöglichen Nutzen von Wissenschaft, Politik, Industrie und EU-Bürgern.

Die Copernicus Sentinel-Satelliten liefern kontinuierlich Daten zur Erdbeobachtung. Dazu gehören Daten von der gesamten Erdoberfläche sowie von der Erdatmosphäre. Mit entsprechenden Analysen liefern sie aktuelle Informationen über den Zustand der Erde. Die großen Datenmengen können somit für Trendanalysen in verschiedenen Bereichen wie zum Beispiel Wissenschaft, Wirtschaft und Politik genutzt werden. Sie dienen unter anderem als Grundlage, um extreme Wettersituationen, klimatische Bedingungen und die Auswirkungen von Naturkatastrophen besser einschätzen oder berichten zu können. Auch Landwirtschaft und Politik profitieren von der 24/7-Erdbeobachtung. Landwirte können sehen, wo und wann Wasser oder Dünger ausgebracht werden muss, um die Erträge zu optimieren. Sie können sehen wie es um die Beschaffenheit des Bodens bestellt ist oder ob die Gefahr eines Insektenbefalls besteht. Die Politik hat eine konkrete Datenbasis, um beispielsweise Agrarsubventionen passend zu verteilen.

Das Copernicus Data Space Ecosystem ist eine der größte öffentlichen Plattformen für Erdbeobachtungsdaten der Welt. Und sie wird in den nächsten Jahren von derzeit 34 auf mehr als 80 Petabyte anwachsen. Das wird die größte Datensammlung sein, die T-Systems in seinen Rechenzentren verwaltet.

Weitere Informationen:

Copernicus Data Space Ecosystem

Das Copernicus Data Space Ecosystem ist eine der größten öffentlichen Plattformen für Erdbeobachtungsdaten der Welt. Ein starkes Branchenteam unter der Leitung von T-Systems ermöglicht die Dienste und Innovationen. Es besteht aus europäischen Dienstleistern für Cloud und Erdbeobachtung mit innovativen Lösungen. Die Partner, die sich an diesem Projekt beteiligen, sind: T-Systems (prime), Cloud Ferro, Sinergise, VitoITO, ACRI-ST, DLR und RHEA. Die Kombination aus der Erfahrung der Partner und der Anleitung durch die ESA gewährleistet ein umfassendes, hochwertiges und benutzerfreundliches Umfeld.

T-Systems betreibt bereits seit 2013 Teile der Copernicus-Infrastruktur. Das neue Data Space Ecosystem gewährleistet die Kontinuität des freien und offenen Datenzugangs mit verbesserten Diensten und erleichtert die Zusammenarbeit für alle Nutzer weiter. So wird eines der größten Online-Archive, bestehend aus allen seit 2014 gesammelten Sentinel-Satellitendaten, zur Verfügung gestellt. Neben dem gigantischen Datenvolumen bietet es sowohl bestehende als auch eine Vielzahl neuer Tools, zum Beispiel für Sofortanalysen und On-Demand-Verarbeitung. Das neue Data Space Ecosystem wird auf Basis einer Open-Source-Umgebung bereitgestellt. Es erleichtert es Dritten, ihre Anwendungen in das Data Space Ecosystem einzubringen und dort zu betreiben, und zwar mit einer transparenten Verwaltung und ohne jegliche Beschränkungen.

Die Plattform wird in den nächsten Jahren von derzeit 34 auf mehr als 80 Petabyte anwachsen. Das wird die größte Datensammlung sein, die T-Systems in seinen Rechenzentren verwaltet. Die Öffentlichkeit, darunter mehr als 600.000 bereits registrierte Nutzer, hat ab dem 24. Januar 2023 Zugang zum neuen Copernicus Data Space Ecosystem und den ersten Diensten. Ab Juli 2023 wird der Großteil des Service-Portfolios zur Verfügung stehen, einschließlich eines Marktplatzes, um das Ökosystem mit Daten und Diensten von Drittanbietern weiter auszubauen und die europäische Datenstrategie zu unterstützen.

Die Entwickler von Sinergize sind überzeugt, dass Copernicus Data Space Ecosystems das Zeug dazu hat, die Standardplattform für alle zu werden, die mit Sentinel-Daten arbeiten (oder spielen). Das Ecosystem basiert auf einem System von API-Tools, die einen besseren Zugang zu Satellitenbildern ermöglichen: Anstatt Daten in Form von Bildpaketen herunterzuladen und lokal zu verarbeiten, können in den meisten Fällen alle Analysen innerhalb des Codes durchgeführt werden, bevor der Download-Prozess beginnt. Dazu gehören die Qualitätsmaskierung, die Filterung auf Bereiche und Zeiten von Interesse, die Berechnung des Spektralindex und sogar die Berechnung von Statistiken innerhalb von bestimmten Bereichen. Wenn Sie mehr wollen, z. B. einen Bildstapel erzeugen und einen maschinellen Lernprozess darauf ausführen, gibt es auch kommerzielle virtuelle Maschinen im Ecosystem, die mit denselben APIs kompatibel sind.

Das neue Copernicus Data Space Ecosystem knüpft an den Erfolg des bisherigen Copernicus Data Hub Distributionsdienstes an, über den mehr als 500 PB an Sentinel-Daten von einer wachsenden Gemeinschaft von mehr als 600.000 registrierten Nutzern heruntergeladen wurden. Damit wird die Kontinuität des offenen und kostenlosen Zugangs zu Copernicus-Daten sichergestellt und das Portfolio für die Datenverarbeitung und die Möglichkeiten des Datenzugangs erweitert.

Weitere Informationen:

Copernicus Hyperspectral Imaging Mission (CHIME)

Siehe CHIME

Copernicus Landüberwachungsdienst (CLMS)

Der Copernicus-Landüberwachungsdienst (Copernicus Land Monitoring Service; CLMS) stellt Datenprodukte zum Monitoring der Landoberfläche und von Binnengewässern bereit. Es handelt sich um Daten, die den Zustand und Veränderungen der Landbedeckung, der Landnutzung, des Vegetationszustands, des Wasserkreislaufs und der Energieflüsse dokumentieren. Die Produkte stehen einem breiten Spektrum von Nutzern in Europa und auf der ganzen Welt im Bereich der terrestrischen Umweltanwendungen zur Verfügung.

Der Copernicus-Landüberwachungsdienst unterstützt Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen wie Raum- und Stadtplanung, Forstwirtschaft, Wasserwirtschaft, Landwirtschaft und Ernährungssicherheit, Naturschutz und -wiederherstellung, Ökosystembilanzierung und Schadenminderung im Zusammenhang mit dem Klimawandel. Der CLMS wird gemeinschaftlich von der Europäischen Umweltagentur (EUA) und der Generaldirektion der Gemeinsamen Forschungsstelle (Joint Research Centre; JRC) der Europäischen Kommission umgesetzt und ist seit 2012 in Betrieb.

Der CLMS besteht aus fünf Hauptbestandteilen:

Die Kartierung der Bodenbedeckung und der Landnutzung liefert Klassifizierungen der Bodenbedeckung auf verschiedenen Ebenen. Auf pan-europäischer Ebene stehen z.B. Produkte zur Flächenversiegelung, Baumbedeckung, Grasland, Wasserbedeckung und Bodenfeuchte, sowie kleinen Landschaftselementen aus Hecken, Sträuchern und Bäumen zur Verfügung.

Die systematische Überwachung biophysikalischer Parameter stellt Produkte im pan-europäischen bis globalen Maßstab mit einer mittleren bis niedrigen räumlichen, aber oft hohen zeitlichen Auflösung zur Verfügung, und ermöglicht dadurch langfristige Zeitreihen. Die Erkenntnisse werden zur Überwachung der Vegetation, des Wasserkreislaufs, des Energiehaushalts und der terrestrischen Kryosphäre eingesetzt.

Thematische Hotspotkartierung zielt darauf ab, maßgeschneiderte und detailliertere Informationen über bestimmte Interessengebiete bereitzustellen. Hotspots im Rahmen des CLMS sind anfällig für bestimmte Umweltprobleme oder anderweitig von besonderer Bedeutung.

Bild- und Referenzdaten liefern Satellitenbildmosaike in hoher und sehr hoher Auflösung und andere Referenzdatensätze. Dazu gehören Satellitenbildmosaike von beitragenden Missionen, die das europäische Territorium abdecken, sowie globale Bildmosaike und Referenzdatensätze der Sentinel-2-Mission, die eine homogene gesamteuropäische Abdeckung ermöglichen. Zusätzlich zu den oben genannten Bestandteilen wird ein neuer europäischer Dienst für Bodenbewegungen eingerichtet. Der Dienst wird kleinste Bodenbewegungen, einschließlich Erdrutsche und Absenkungen, sowie die Verformung der Infrastruktur messen.

Weitere Informationen:

Copernicus-Dienste

Die Dienste sind das zentrale Element von Copernicus, denn sie stellen die Schnittstelle zwischen den Nutzern und den durch Satellitenmissionen und In-situ-Messungen gewonnenen Informationen dar. Dabei ist zwischen zwei Gruppen zu unterscheiden, den sechs thematischen Kerndiensten und den sogenannten Downstream-Diensten, die aus den Informationen der Kerndienste oder direkt aus den Daten der Copernicus-Beobachtungssysteme hergeleitet werden.

Die Anbieter der Dienste bereiten die Rohdaten so auf, dass sie fachbezogen in für den Nutzer brauchbare Informationsquellen umgesetzt werden. Das können beispielsweise zwei- oder dreidimensionale Kartenmaterialien mit Geoinformationen, aber auch Datenbanken sein.

Für die Bereitstellung der Kerndienste ist die Europäische Kommission zuständig. Sie bereitet mit Partnern wie der Europäischen Umweltagentur (EEA) die Daten für die Nutzung in den jeweiligen Diensten auf und stellt sie über geeignete Vertriebswege zur Verfügung. 
Nutzer dürften primär institutionelle Entscheidungsträger auf EU-Ebene sein, die damit bei der Erarbeitung, Durchführung und Überwachung politischer Entscheidungen unterstützt werden sollen. Die Kerndienste sind für die Nutzer kostenfrei.

Die Downstream-Dienste zielen auf einen großen Pool von Nutzergruppen ab, wie nationale oder regionale Behörden, Organisationen, Unternehmen und interessierte Bürger. Ihre Bereitstellung erfolgt auf Initiative und unter Verantwortung der jeweiligen Nutzergruppe, die auch die Finanzierung und Verfügbarkeit gewährleisten muss.

Generell ist eine Vielzahl unterschiedlichster Dienste denkbar. Sie wären auf der Datenbasis der Satelliten der Copernicus-Weltraumkomponente und anderen Fernerkundungs-Missionen möglich. Entsprechend den Bedürfnissen künftiger Nutzer und den Möglichkeiten der Datenaufbereitung wurden von der Europäischen Kommission sechs verschiedene Kerndienste festgelegt:

1. Landüberwachung
Der Dienst bietet Informationen und aufbereitete Daten von der globalen bis zur lokalen Ebene bezüglich der Landoberfläche und deren Veränderungen, inklusive der darin eingeschlossenen Binnengewässer. Die kontinuierlich erhobenen Daten bilden die Basis für Veränderungen der Landnutzung, die Städteplanung, das Wassermanagement, die Waldüberwachung, die Landwirtschaft und die Erarbeitung thematischer Karten.

2. Überwachung der Meeresumwelt
Der Service umfasst Daten für die Überwachung des Seeverkehrs, der Wasserqualität sowie von ausgelaufenem Öl bis zu großen Ölteppichen. Die Daten dienen als Basis für die Umsetzung des international vereinbarten Schutzes der Meere sowie für Wetter-, Klima- und Seegangvorhersagen.
Wesentliche Einzelparameter dabei sind: Oberflächentemperatur, Salzgehalt, Strömung, Seegang und Wind, Wasserfärbung (Chlorophyll/Algen), Eisgang und Eisbergdrift sowie Meeresspiegelhöhe.

3. Überwachung der Atmosphäre
Der Dienst dient der Bereitstellung von Daten zur UV-Strahlung und solaren Einstrahlung sowie zur globalen Verteilung atmosphärischer Spurenstoffe, insbesondere Spurengase (Fluorkohlenwasserstoffe, FCKW) und Aerosole (Feinstaub). Die Verteilung dieser Bestandteile in der Atmosphäre sowie ihre zeitliche Veränderung sind wesentlich für Luftqualität, Wetter und Klima. Mit den kontinuierlich erfassten Daten lässt sich die Wirkung von Maßnahmen zur Luftreinhaltung dokumentieren.
Gegenwärtig verfügbare Produkte:

4. Überwachung des Klimawandels
Es ist ein Querschnittsgebiet, in das Daten der anderen fünf Kerndienste aufgabenspezifisch einfließen und bearbeitet werden. Der Klimadienst steht noch vor der präoperationellen Phase. Ausrichtung, Komponenten und Produkte sind noch nicht endgültig festgelegt.

5. Katastrophen- und Krisenmanagement
Bei Naturkatastrophen (Erdbeben, verheerende Waldbrände oder Überschwemmungen), humanitären Krisen und anderen Notfallsituationen bedarf es kontinuierlicher Informationen über Art und Ausmaß der Schäden sowie über mögliche Zugangswege, damit Rettungsdienste und Hilfskräfte gezielt eingesetzt werden können. Derartige Detailinformationen bietet dieser Dienst.

6. Sicherheitsdienste
Der Copernicus-Dienst für Sicherheitsanwendungen befindet sich noch im Aufbau. Gegenwärtig werden drei Schwerpunkte verfolgt: die Überwachung der EU-Außengrenzen, die Unterstützung von EU-Einsätzen außerhalb Europas und die Überwachung des Schiffsverkehrs.

Der Copernicus-Sicherheitsdienst unterscheidet sich – insbesondere in Hinblick auf die Datenpolitik – grundlegend von den übrigen Copernicusdiensten. So können die im Kontext des Copernicus-Sicherheitsdienstes erstellten Produkte nur von Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben angefordert und genutzt werden. Eine Veröffentlichung von Daten und Produkten erfolgt grundsätzlich nicht.

Weitere Informationen:

CORINE Land Cover (CLC)

CORINE Land Cover (CLC) war ursprünglich Teil des heute nicht mehr in der ursprünglichen Form bestehenden europäischen Programms CORINE (COoRdination of INformation on the Environment) das 1985 von der Europäischen Union initiiert wurde. Die Zielsetzung des Programms war eine Vereinheitlichung der Erfassung von Umweltdaten. Im Rahmen des CORINE Land Cover-Projektes (CLC) erfolgte die erstmalige flächendeckende Erfassung der gesamten Europäischen Union anhand von Satellitenbildern. Bereits seit Beginn der 90er Jahre werden mit Satellitenfernerkundung digitale Geoinformationen erfolgreich abgeleitet. Seit 1994 hat die Europäische Umweltagentur (EUA) CORINE auf freiwilliger Basis in ihr Arbeitsprogramm integriert. Mit der Beteiligung der EUA an der Koordination des Copernicus Land Monitoring Service seit 2011 wurde die Landbedeckungsdatenbank CORINE Teil dieses Dienstleistungsportfolios.

Im Ergebnis steht die Erfassung der Landbedeckung bzw. Landnutzung nach einer einheitlichen Methodik und standardisierter Nomenklatur zur Verfügung, was zur vereinheitlichten Erfassung von Umweltdaten beiträgt.

Landbedeckung und Landnutzung sind wichtige Indikatoren für Umweltbelastungen durch menschliches Handeln. Dünge- und Pflanzenschutzmittel gelangen auf Äcker und Wiesen und beeinflussen die Qualität von Gewässern, Böden und Luft. Abbauflächen und Deponien belasten vorwiegend deren nähere Umgebung. Aber auch großräumige, grenzüberschreitende Umweltwirkungen über Luft und Wasser hängen in starkem Maße von der Landnutzung und den unterschiedlichen Aufnahme- und Umsetzungseigenschaften der betrachteten Ökosysteme ab.

Mit CORINE Land Cover (CLC) steht ein europaweites Konzeptund System für die Gewinnung und Auswertung dieser Informationen und deren Änderung zur Verfügung. Die Erhebung von Landnutzungsdaten durch Satellitenaufnahmen dient der Klärung u.a. folgender Fragen:

Die erstmalige Erfassung von CLC in den 1990er Jahren wurde europaweit auf der Basis von Satellitendaten im Maßstab 1:100.000 durchgeführt, wobei für den europäischen Maßstab nur Flächen ab einer Mindestkartiereinheit (MKE) von 25 ha betrachtet werden. Kleinere Flächen werden entsprechend einer Matrix der nächstpassenden Klasse zugeschlagen, d.h. Flächen der MKE sind nicht im Datensatz enthalten. Seit der Ersterfassung für das Referenzjahr 1990 (CLC1990) wird in 44 Landbedeckungs- und Landnutzungsklassen unterschieden, von denen 37 Klassen – wie z.B. Siedlungsflächen, landwirtschaftlich genutzte Flächen, Wald, Feuchtgebiete und Wasserflächen – in Deutschland relevant sind.

Mit der zweiten Erfassung für das Bezugsjahr 2000 (CLC2000) wurde - neben der Situation in 2000 - erstmals die zeitliche Veränderung der Landbedeckung und Landnutzung im Bezug zu 1990 dokumentiert.

Für das Referenzjahr 2006 erfolgte in 37 europäischen Staaten eine erneute Aktualisierung des CLC. Wie schon für CLC2000 stehen neben dem Datensatz CLC2006 auch die Änderungen zwischen 2000 und 2006 zur Verfügung. Das nationale Projekt CLC2006 wurde, wie schon CLC2000, durch das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum am DLR im Auftrag des Umweltbundesamtes durchgeführt.

Die für den europäischen Maßstab ausreichende Mindestkartiereinheit (MKE) von 25 ha ist für eine Vielzahl von nationalen Fachfragen zu ungenau. Um das Nutzungspotential von CLC für nationale Anwendungen zu erhöhen, haben sich das Umweltbundesamt und das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) darauf verständigt, zukünftig hochauflösende Daten des Landbedeckungsmodells für Deutschland (LBM-DE) für die Ableitung eines hochauflösenden CLC zu verwenden. Wichtigste Grundlage des LBM-DE ist das ATKIS Basis-DLM der deutschen Landesvermessung. Erstmalig wurde für Deutschland ein hochaufgelöstes CLC2012 mit 1 ha MKE (Mindestkartiereinheit) aus dem LBM-DE erfolgreich abgeleitet. Aus diesem Lizenzprodukt des BKG wurden  die frei verfügbaren CLC2012-Datensätze mit 5 ha und 25 ha MKE abgeleitet. Bei der Aktualisierung 2018 wurden die Datensätze nochmals für 2012, 2015 und 2018 erzeugt. Die nationale LBM-DE / CLC-Erstellung soll alle 3 Jahre erfolgen.

Deutschland, dargestellt mit den
CORINE Land Cover-Daten 2018Deutschland dargestellt mit den CORINE land Cover-Daten Quelle: UBA / DLR

Legende:

Mit dem Aufbau des europäischen Erdbeobachtungsprogrammes Copernicus wurde das CLC in den sogenannten Landdienst integriert. Die aktuellste europaweite Erfassung der Landbedeckung und Landnutzung ist für das Bezugsjahr 2018 erfolgt. Damit bietet CLC europaweit vereinheitlichte Informationen zur Landbedeckung und −nutzung sowie deren Veränderung über fast drei Jahrzehnte (1990-2018). Erstmalig kamen für die Erstellung von CLC 2018 die Bilddaten des Copernicus-Satelliten Sentinel-2 zum Einsatz.

Die CLC-Daten im europäischen Maßstab (25 ha MKE) werden durch das Umweltbundesamt und die Europäische Umweltagentur bereitgestellt. Das hochaufgelöste CLC / LBM-DE (1 ha MKE) kann als Lizenzprodukt vom BKG für die Bezugsjahre 2012, 2015 und 2018 bezogen werden. Als Open-Data Produkt steht ein 5ha CLC für die Jahre 2012, 2015 und 2018 zur Verfügung.

Neue Entwicklungen

Im Februar 2020 erfolgte der Start der ersten Stufe der zweiten Generation von CORINE Land Cover (CLC): Das CLC+ Backbone. Dieses neueste Produkt der Copernicus Land Monitoring Service (CLMS)-Familie soll in Copernicus den Rahmen für das kommende Jahrzehnt abstecken

Aufbauend auf dem reichen Erbe von mehr als 30 Jahren CORINE Land Cover und der Erfolgsgeschichte der Benutzerakzeptanz in ganz Europa wird die kommende CLC+-Produktreihe einen echten Paradigmenwechsel in der Überwachung der Landbedeckung/Landnutzung bringen. Insbesondere wird sie es ermöglichen, die Unzulänglichkeiten des "traditionellen" CLC-Ansatzes mit einer Mindestkartierungseinheit von 25 ha weitgehend zu überwinden, vor allem in Bezug auf die Detailgenauigkeit und "gemischte" Landbedeckungsbestandteile in denselben Objekten.

Das Produkt CLC+-Backbone wird als erste Komponente der neuen CLC+-Ära ein objektorientiertes, hochauflösendes, lückenloses Inventar der europäischen Bodenbedeckung und ihrer Merkmale in bisher nicht gekannter Qualität und Detailgenauigkeit für das Bezugsjahr 2018 enthalten. Es wird eine gesamteuropäische Segmentierung von vektorbasierten stabilen Landschaftsobjekten und eine rasterbasierte Klassifizierung von 12 EAGLE-konformen Landbedeckungskomponenten aus voll integrierten Zeitreihen von Sentinel-1/-2-Satellitenbildern im optischen und Radarbereich umfassen. In einem nächsten Schritt werden beide Datensätze zu einem vollständig zugeordneten Vektorprodukt aus 18 Landbedeckungsklassen mit einer Mindestkartiereinheit von 0,5 ha verschmolzen, das eine Vielzahl weiterer Informationsebenen aus Satellitendaten und verschiedenen anderen Copernicus-Produkten enthält. Modernste Datenverarbeitungstechnologie wird zusammen mit einer mobilen, hochmodernen Cloud-Computing-Umgebung sicherstellen, dass die hohen Anforderungen an Produktqualität und Aktualität erfüllt werden.

Die CLC+-Produkte werden es ermöglichen, viele aktuelle und zukünftige Bedürfnisse bei der Überwachung der Landbedeckung/Landnutzung in Europa und bei der politischen Berichterstattung zu erfüllen und den Weg für alle weiteren CLC+-Komponenten zu ebnen. Zusammen mit Landnutzungsinformationen aus den 38 EWR-Mitglieds- und Kooperationsländern und dem Vereinigten Königreich sollen die CLC+-Landnutzungsprodukte in die kommende CLC+-Kerndatenbank aufgenommen werden, die die Ableitung verschiedener so genannter CLC+-Instanzen ermöglichen wird, z.B. für die LULUCF-Berichterstattung und zur Gewährleistung eines "traditionellen" CLC-Altprodukts für die Zeitreihenkontinuität des traditionellen CLC in der Zukunft.

Die Akteure

EEA: Die Europäische Umweltagentur koordiniert im Auftrag der Europäischen Kommission den Copernicus Landdienst. Neben Datensätzen, die im Auftrag der EEA top-down erzeugt werden, koordiniert EEA auch die CLC-Erstellung durch die beteiligten Staaten. Im Rahmen des Europäischen Umweltinformations- und Umweltbeobachtungsnetz (EIONET) kooperiert und tauscht sich die EEA mit den Mitgliedsstaaten zu allen Umweltthemen aus, um aktuelle und qualitätsgesicherte Daten, Informationen und Expertisen über den Zustand und die Einflussfaktoren auf die Umwelt in Europa zu erlangen.

UBA: Das Umweltbundesamt ist im Rahmen des EIONET-Netzwerkes nationaler Ansprechpartner der EEA zu allen Umweltthemen. Im Rahmen der CLC-Erhebungen förderte die EEA die nationalen Umsetzungen, die durch das UBA koordiniert werden. Aktuelle Weiterentwicklungen das Land-Dienstes, z.B. das CLC+, werden in diesem Netzwerk diskutiert und begleitet. Seit der CLC-Erhebung für das Jahr 2012 kooperiert das Umweltbundesamt mit dem BKG.

BKG: Um das Nutzungspotential von CLC für nationale Anwendungen zu erhöhen, haben sich das Umweltbundesamt und das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) darauf verständigt, zukünftig hochauflösende Daten des Landbedeckungsmodells für Deutschland (LBM-DE) für die Ableitung eines hochauflösenden CLC zu verwenden. Durch diese Kooperation wird seit der CLC-Erstellung für das Jahr 2020 das CLC als dem LBM-DE abgeleitet. Zusätzlich steht für die CLC-Datensätze 2012, 2015 und 2018 eine Variante mit 5 ha Mindestkartiereinheiten für Deutschland nach Open Data bereit.

GAF u. a.: Für die Implementierung des CLC+-Backbone hat im Frühjahr 2020 ein europäisches Konsortium von 14 Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus 11 Mitgliedsländern der Europäischen Umweltagentur (EEA) unter der Leitung der GAF AG (Deutschland) einen Rahmenvertrag über 10 Millionen € erhalten.

Evolution of CORINE Land Cover
  CLC1990 CLC2000 CLC2006 CLC2012 CLC2018
Satellite data Landsat-5 MSS/TM
single date
Landsat-7 ETM
single date
SPOT-4/5 and
IRS P6 LISS III
dual date
IRS P6 LISS III
and RapidEye
dual date
Sentinel-2 and
Landsat-8
for gap filling
Time consistency 1986-1998 2000 +/- 1 year 2006+/- 1 year 2011-2012 2017-2018
Geometric accuracy, satellite data ≤ 50 m ≤ 25 m ≤ 25 m ≤ 25 m ≤ 10 m (Sentinel-2)
Min. mapping unit/width 25 ha / 100m 25 ha / 100m 25 ha / 100m 25 ha / 100m 25 ha / 100 m
Geometric accuracy, CLC 100 m better than 100 m better than 100 m better than 100 m better than 100 m
Thematic accuracy, CLC ≥ 85%
(probably not achieved)
≥ 85%
(achieved) [13]
≥ 85% ≥ 85%
(probably achieved)
≥ 85%
Change mapping (CHA) not implemented boundary displacement min. 100 m;
change area for existing polygons ≥ 5 ha;
for isolated changes ≥ 25 ha
boundary displacement min. 100 m;
all changes ≥ 5 ha are to be mapped
boundary displacement min. 100 m;
all changes ≥ 5 ha are to be mapped
boundary displacement min. 100 m;
all changes ≥ 5 ha are to be mapped
Thematic accuracy, CHA - not checked ≥ 85%
(achieved)
≥ 85% ≥ 85%
Production time 10 years 4 years 3 years 2 years 1.5 years
Documentation incomplete metadata standard metadata standard metadata standard metadata standard metadata
Access to the data (CLC, CHA) unclear dissemination policy dissemination policy agreed from the start free access for all users free access for all users free access for all users
Number of countries involved 26
(27 with late implementation)
30
(35 with late implementation)
38 39 39
Quelle: Copernicus LMS

Weitere Informationen:

CORIOLIS

Franz. Akronym für Circulation Océanique par Réseau Intégré d'Observations Longue durée In Situ; Teil eines im Aufbau befindlichen französischen Systems zur operationellen Beobachtung und Vorhersage des Ozeanverhaltens. Coriolis ist der französische Beitrag zu ARGO und gleichzeitig eines der beiden globalen ARGO-Datenzentren. Das System besteht aus drei Elementen:

Coriolis repräsentiert den in situ-Teil des Systems.

Weitere Informationen:

CORONA

Bezeichnung für das erste operationelle Programm der USA zur Satellitenaufklärung. Das Corona-Programm bestand aus einer Reihe von strategischen Aufklärungssatelliten der USA, die von der Direktion für Wissenschaft und Technologie der Central Intelligence Agency (CIA) mit maßgeblicher Unterstützung der US-Luftwaffe (USAF) produziert und betrieben wurden. Die Corona-Satelliten wurden von 1959 bis 1972 für die fotografische Überwachung der UdSSR, der Volksrepublik China und anderer Gebiete eingesetzt. Als Corona auf den Markt kam, waren ladungsgekoppelte Geräte (CCD-Systeme) noch futuristische Science-Fiction. Das hochmoderne Kamerasystem basierte auf einem chemischen Film, der mitgeführt, auf einer Rolle vorwärts bewegt, Bild für Bild belichtet und schließlich in einem chemischen Labor verarbeitet werden musste.

Nach zwölf Fehlschlägen war das erste funktionierende System ein mit dem Kürzel KH-1 (KH für 'key hole') versehener Satellit, der im August 1960 gestartet wurde. Er belichtete mit einer 70-Grad-Weitwinkel-Kamera mehr als 1000 m Filmmaterial für eine komplette Fotolandkarte der UdSSR. Seine räumliche Auflösung betrug 10 m. Der belichtete Film wurde mittels eines Wiedereintrittskanisters zur Erde befördert. Ein Transportflugzeug fing die Filmkapsel auf, während sie am Fallschirm herunterschwebte. Während dieser ersten Mission im August 1960 deckte das Corona-Programm mehr Fläche der UdSSR ab, als alle Flüge mit Aufklärungsflugzeugen des Typs U-2 bis zu diesem Zeitpunkt.

Die frühen Satelliten hatten eine Masse von 780 kg. Spätere Generationen waren bis 2000 kg schwer. 102 der 145 Missionen waren sehr erfolgreich: insgesamt 860 000 Fotos wurden aufgenommen und erfassten eine Landfläche von fast 2 Milliarden Quadratkilometern auf 39 000 Filmkanistern. Die Auflösung der Schwarzweißbilder war erstaunlich: Eine Erkennbarkeit von 1,5-1,8 Metern war möglich. Die Komplexität einer solchen 19-tägigen Mission ist in der Bildsequenz unten dargestellt. Das CORONA-Programm lief 1972 aus. Der Geheimhaltungscharakter wurde 1995 aufgehoben, die Materialien werden dem Nationalarchiv (NARA) überstellt.

Nach Corona wurden Spionagesatelliten zum Werkzeug der Wahl für die Aufklärungsanforderungen der US-Luftwaffe, Armee, CIA, NRO und anderer. Daraufhin folgten mehrere Generationen von Aufklärungssatelliten, die jeweils besser abschneiden als ihre Vorfahren. Die modernsten optischen US-Spionagesatelliten wie KH-11 und KH-12 verfügen über Auflösungen von besser als 10 cm. Radarbasierte Systeme haben eine begrenzte Auflösung von 1 m, bedingt durch den Wellenlängenunterschied zwischen sichtbarem Licht und Mikrowellen sowie Volumen- und Massenbegrenzungen für den Start großer Spiegel und/oder Mikrowellenantennen. Dieser Nachteil von Radarsatelliten wird durch ihre Beobachtungsfähigkeit bei Nacht oder wenn ein bestimmtes Stück Land oder Meer unter Wolken verborgen ist, weitgehend ausgeglichen. Darüber hinaus ermöglichen Radarsatelliten unterschiedliche Anwendungen von optischen Satelliten und können so das Bild vom Planeten Erde weitgehend ergänzen.

Corona_spysat_camera_system_lres CORONA

Diagramm der permanent rotierenden Stereopanorama-Kamera des Typs "J-1" an Bord der Aufklärungssatelliten KH-4A, Einsatz von 1963 bis 1969.

Quelle: Wikipedia (e)
Corona Schema Startsequenz

Schema der Startsequenz

Das Corona-Raumfahrzeug wurde von einem THOR-Booster gestartet und benutzte die AGENA-Sonde als Oberstufe. Im Orbit fotografierte Corona mit einem konstant rotierenden Stereo-Panorama-Kamerasystem und lud den belichteten fotografischen Film in Bergungskapseln ein.

CORONA_film_recovery

Schema der flugzeuggestützten Bergung
von Corona-Filmboxen

Die Bergungskapseln wurden aus dem Orbit entfernt und von den C-119-Flugzeugen der Luftwaffe geborgen, während sie mit einem Fallschirm zur Erde schwebten (typisch für die Serien KH-1 bis KH-9).

Quelle: U.S. Air Force
flying_boxcar_lres

C-119J beim Einsatz

Eine US-Militärmaschine vom Typ Fairchild C-119J "Flying Boxcar" birgt eine Corona-Kapsel, die soeben aus dem Weltraum zurückkehrte. Das Flugzeug war speziell dafür konstruiert, Kapseln beim Wiedereintritt in die Atmosphäre abzufangen. Am 19. 8. 1960 gelang es in der Tat erstmals, den Fallschirm einer zurückkehrenden Kapsel in 8000 Fuß Höhe 360 Meilen SW von Honolulu (Hawaii) "an den Haken" zu bekommen.

Quelle: NRO

Weitere Informationen:

COROT

Akronym für franz. Convection, Rotation et Transits planétaires oder engl. Convection Rotation and Planetary Transits; inzwischen beendete Satellitenmission, bei der von einer Erdumlaufbahn aus systematisch nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems gesucht wurde. COROT ist nach JASON und CALIPSO das dritte Element des kostengünstigen, wissenschaftlichen Programms des CNES. COROT profitierte von der Plattform PROTEUS (Plate-forme Reconfigurable pour l'Observation, les Télécommunications et les Usages scientifiques - Rekonfigurierbare Plattform für die Beobachtung, die Telekommunikation und wissenschaftliche Aufgaben), ein neues Konzept, das für Satelliten mit einer Masse um 500 kg entwickelt wurde. COROT arbeitete mit einem Weltraumteleskop von 30 cm Durchmesser und beobachtet damit kontinuierlich zwei Regionen des Weltalls je 150 Tage lang.

Der Satellit wurde Ende 2006 mit einer Soyuz-Fregat-Rakete vom Weltraumbahnhof Baikonur in Kasachstan gestartet, seitdem befand er sich auf einer polaren, zirkularen Umlaufbahn um die Erde in einer Höhe von 869 km. Die Mission endete offiziell im Juni 2013, allerdings lieferte das Weltraumteleskop schon seit November 2012 aufgrund eines Computerfehlers keine Daten mehr.

Es handelt sich bei COROT um die erste Weltraum-Mission für Stellar-Seismologie und für die Suche nach Gesteinsplaneten außerhalb des Sonnensystems (extrasolare Planeten). Das Teleskop verfolgte Helligkeitsveränderungen einer Vielzahl von Sternen, um daraus Informationen über die inneren physikalischen Eigenschaften abzuleiten und sucht Exoplaneten, die beim Vorübergang vor ihrem Mutterstern zu einem kurzfristigen Helligkeitsabfall führen (Transitmethode). Solche Transite blockieren einen winzigen Teil des Lichts, das COROT aufspüren kann.

Von der Erde aus gesehen, passieren sowohl Merkur als auch Venus gelegentlich die Vorderseite der Sonne. Wenn sie dies tun, sehen sie wie winzige schwarze Punkte aus, die über die helle Oberfläche ziehen. Nach solchen Abdunkelungen - so genannten Transits - suchen Forscher auf der Erde.

COROT

COROT - Planetentransit

Quelle: CNES / ESA

COROT spürte 30 Exoplaneten, zwei Braune Zwerge und 200 noch unbestätigte Kandidaten auf. Eine hoch interessante Entdeckung ist CoRoT-7b, ein Planet mit knapp zweifachem Erdradius und fünffacher Erdmasse, der erste zweifelsfreie Gesteinsplanet.

Weitere Informationen:

COSMIC / Formosat-3

Siehe Formosat-3

Cosmic Vision

In der Nachfolge der Programme Horizon 2000 und Horizon 2000 Plus ist Cosmic Vision 2015 − 2025 das aktuell gültige Rahmenprogramm der Europäischen Weltraumbehörde ESA für Projekte im Bereich Space Science. In der Struktur der ESA befasst sich dieser Bereich mit Fragen der Astronomie und Astrophysik, Erforschung des Sonnensystems und Grundlagen der Physik. 2019 hat die Definition des Nachfolgeprogramms Voyage 2050 begonnen.

Die 2004 von der wissenschaftlichen Gemeinschaft eingebrachten und auf einer Konferenz in Paris diskutierten Themen für eine Cosmic Vision wurden 2005 in einem Gesamtplan der ESA zusammengefasst. Die darin identifizierten übergreifenden Fragen sind:

Diese Themen sollten durch eine Reihe von Weltraummissionen mit Start ungefähr im Zeitraum 2015 − 2025 angegangen werden, wobei mittelgroße (M, Kosten unmittelbar für ESA ca. 500 Millionen Euro) und große (L, ca. 900 Millionen Euro) Missionen vorgesehen waren. 2012 wurden kleine Missionen (S, 50 Millionen Euro) hinzugefügt. Es besteht auch die Möglichkeit der Nutzung von Gelegenheiten zur Beteiligung an Missionen anderer Raumfahrtagenturen in Missions of Opportunity.

Die Missionen werden schrittweise definiert. Nach Aufforderung werden aus den eingereichten Vorschlägen wenige für etwa zwei Jahre näher untersucht, aus denen dann die zu verwirklichende Mission ausgewählt wird. Diesen Prozess haben bis 2018 durchlaufen:

Missionen des Cosmic Vision-Programms der ESA
Klein (S-Missionen) Mittel (M-Missionen) Groß (L-Missionen)

*Kooperation von ESA, CAS und CSA

Weitere Informationen:

Cosmo-SkyMed

Engl. Akronym für Constellation of small Satellites for Mediterranean basin Observation; dual-use-Mission unter Führung der italienischen Raumfahrtagentur (ASI) mit vier Satelliten, ausgestattet mit einem bildgebenden X-Band SAR (SAR 2000), das auch die Polarisation der Rückstreuung auswertet (Multipolarimetrie). Die Antenne ist elektronisch schwenkbar. Beim Überflug kann sie aus einem Streifen von ca. 1500 Kilometer Breite je nach SAR-Modus eine Schwadbreite von 10 bis 500 Kilometer erfassen. Im Spotmode bildet sie eine Fläche von zehn mal zehn Kilometern, bei ziviler Nutzung, mit einer Auflösung von einem Meter ab. Durch Radarinterferometrie messen zwei dicht beieinander fliegende Satelliten das Bodenprofil der Erde mit einer Genauigkeit von bis zu acht Metern. Die Satelliten sind mit GPS-Empfängern ausgestattet. Auch ohne Passpunkte lassen sich die Bilder auf 15 Meter genau auf der Erde lokalisieren.

Bei einem Satelliten beträgt die Zeit bis zum Überflug einer ausgewählten Region fast drei Tage. Bei vier Satelliten reduziert sie sich auf zwölf Stunden. Daten werden mit einer Rate von 310 Mbps zur Bodenstation übertragen. Pro Tag können mehr als 200 Bilder für zivile Anfragen bereitgestellt werden. Der Orbit verläuft sonnensynchron in einer Höhe von 619 km und besitzt eine Umlaufdauer von 97,86 Minuten.

Hauptaufgaben des Systems sind das Umweltmonitoring vor allem des italienischen Territoriums, Kartierungsaufgaben sowie Territorialschutz und strategische Verteidigung. Cosmo-SkyMed kann in das System der optisch arbeitenden Satelliten des französischen Pléiades-Programmes integriert werden. Den ersten 1900 kg schweren COSMO-Skymed Satellit COSMO 1 brachte eine Delta II 7420-10C-Rakete von Vandenberg Air Force Base aus am 8. Juni 2007 ins All. Der zweite Satellit (COSMO-Skymed 2) startete am 9. Dezember ebenfalls mit einer Delta II 7420-10C-Rakete von Vandenberg und der dritte Satellit (COSMO-Skymed 3) am 25. Oktober 2008. COSMO-Skymed 4, der vierte und letzte Satellit, wurde am 6. November 2010 von der Vandenberg Air Force Base wiederum mit einer Delta II 7420-10-Rakete in ein sonnensynchrones Orbit gebracht. Alle vier Exemplare sind Mitte 2022 noch aktiv.

Das italienische Unternehmen e-Geos Earth Observation Satellite Services Company, ein Tochterunternehmen der Telespazio (80 %) und ASI, vermarktet die Radarbilder. Es ist auch Zwischenhändler für Aufnahmen der optischen Satelliten GeoEye-1, IKONOS, QuickBird, WorldView-1 und WorldView-2. Cosmo Skymed wird von den italienischen Ministerien für Forschung und Verteidigung finanziert.

Ätna - Multitemporales Radarbild Multitemporales Bild des Vulkans Ätna

Die Farbzusammensetzung ILU (Interferometric Land Use) hat folgende Bedeutung:
Rot: Kohärenz - Grün: mittlere Amplitude - Blau: Amplitudendifferenz

Die zwei Datensätze wurden am 14. April 2008 und am 8. Mai 2008 erfasst. Jüngere Lavaströme (letzte paar Jahre) bestehen aus hartem Gestein, haben eine zerfaserte Erscheinung und sind ohne Vegetationsbedeckung. Im Bild erscheinen sie in leuchtendem Orange.
Auf dem Gipfel des Vulkans betont eine dunkelblaue Fläche eine große Veränderung über die Zeit, wahrscheinlich bedingt durch das Vorhandensein von Schnee in einer der Aufnahmen.

Quelle: Leonardo Spazio

 

Pivot cultivation - Oregon Karusselbewässerung Umatilla am Columbia River, Oregon

Rot: Amplitude 23/08/2008 - Grün: Amplitude 2/10/2008 - Blau: Kohärenz

Multitemporales Bild des Radarsatelliten COSMO-SkyMed. Landwirtschaft ist hier auf Flächen beschränkt, die über Karusselbewässerung mit Wasser versorgt werden. Unterschiedliche Farben zwischen rot und grün zeigen zeitliche Unterschiede im Pflanzenwachstum. Das umgebende Gebiet erscheint sehr stabil (blaue Farbtöne dank eines hohen Kohärenzwertes).

Quelle: Leonardo Spazio

Cosmo-SkyMed Second Generation

Als Ersatz für die erste COSMO-SkyMed-Konstellation hat  die italienische Raumfahrtbehörde die COSMO-SkyMed-Konstellation der zweiten Generation entwickelt. Sie hat die gleiche Aufgabe der radargestützten Erdbeobachtung mit besonderem Schwerpunkt auf dem Mittelmeerraum wie die erste Generation. Wie die 1. Generation besteht auch die 2. Generation aus 4 Satelliten, CSG-1, CSG-2, CSG-3 und CSG-4. Die Satelliten sind verbesserte Versionen der Satelliten der ersten Generation. Auch die Radarnutzlast CSG-SAR (COSMO-SkyMed Second Generation Synthetic Aperture Radar) ist eine verbesserte Version der X-Band-SAR-Nutzlast der ersten Generation. Darüber hinaus werden die Satelliten der zweiten Generation auf der gleichen Umlaufbahn (in der Tat in der gleichen Bahnebene) operieren wie die Satelliten der ersten Generation. Die Satelliten der 2. Generation wiegen mit 2.205 kg etwas mehr als die Vorgänger.

Während die Satelliten der ersten Generation im Februar 2023 noch alle aktiv waren, fand der Start des ersten COSMO-SkyMed-Satelliten der zweiten Generation (CSG - COSMO-SkyMed Second Generation) bereits Ende 2019 statt. CSG 2 startete im Januar 2022. CSG 3 wird 2025 folgen, CSG-4 ca. 2026.

Weitere Informationen:

Cosmos

Russische Satelliten, die u.a. die hochauflösenden KRV1000- und TK350-Kameras tragen.

COSPAS-SARSAT

Internationales, satellitengestütztes Such- und Rettungssystem zur Erfassung und Lokalisierung von Notfunkbaken (EPIRBs), die auf Schiffen, in Luftfahrzeugen, aus Landfahrzeugen und/oder von Einzelpersonen aktiviert werden. Es basiert auf der Technik des Argos-Systems.

Das "International COSPAS-SARSAT Programme Agreement" wurde am 1. Juli 1988 in Paris von der damaligen Sowjetunion, den USA, Kanada und Frankreich gegründet. Mittlerweile sind dem Programm viele weitere Länder beigetreten, und von 1982 bis Dezember 2009 wurden durch das COSPAS-SARSAT-System über 28.375 Personen gerettet. Die russische Abkürzung COSPAS steht für Cosmicheskaya Sistyema Poiska Avariynich Sudow (Weltraumsystem für die Suche nach Schiffen in Seenot); die englische Abkürzung SARSAT bedeutet Search and Rescue Satellite - Aided Tracking (Satellitenortungssystem für den Such- und Rettungsdienst).

COSPAS-SARSAT Teilnehmerländer Beteiligte Länder am COSPAS-SARSAT-System

Karte mit den 45 Ländern und Organisationen, die am Betrieb und der Verwaltung des Systems teilnehmen (2019).

Zu den Teilnehmern gehören die vier Vertragsparteien des internationalen Cospas-Sarsat-Programmabkommens (Kanada, Frankreich, Russland und die USA), 30 Bodensegmentanbieter, neun Nutzerstaaten und zwei Organisationen.

Quellen: COSPAS-SARSAT
Cospas-Sarsat-System Grundkonzeption des COSPAS-SARSAT Systems
  • COSPAS: Weltraumsystem für die Suche nach Schiffen in Seenot (Russia)
  • SARSAT: Satelliten-gestütztes Verfolgungssystem für Search and Rescue-Aufgaben (Canada, France and USA)
  • LEOSAR: Low Earth Orbit Satellitensystem für SAR (Search and Rescue)
  • LEOLUT: Örtliches Nutzerterminal in einem LEOSAR-System
  • GEOSAR: Geostationäres Satellitensystem für SAR
  • GEOLUT: Örtliches Nutzerterminal in einem GEOSAR-System
  • GOES: Geostationärer operationeller Umweltsatellit (USA)
  • INSAT: Indischer geostationärer Satellit
  • MSG: Meteosat Second Generation Satellit (EUMETSAT)
Quellen: COSPAS-SARSAT

Das COSPAS-SARSAT-System besteht aus sechs polumlaufenden Wetter- und Klimasatelliten (Low-Earth Orbiting Search and Rescue, LEOSAR) und fünf geostationären Satelliten (Geostationary Search and Rescue, GEOSAR). All diese Satelliten empfangen Signale auf der internationalen Notfunkfrequenz 406 MHz. Die Signale werden bei nächster Gelegenheit an eine Bodenstation (LUT, Local User Terminal) weitergeleitet. Von der Bodenstation aus werden die Daten über ein Mission Control Center (MCC) an das regional zuständige Rescue Coordination Center (RCC, Rettungsleitstelle) weitergeleitet. In Deutschland ist das die Seenotleitung Bremen der Dt. Gesellschaft zur Rettung Schiffbrüchiger.

Die polumlaufenden Satelliten des LEOSAR-Systems umlaufen die Erde in etwa 100 minuten auf einer gegenüber dem Äquator um 83° (COSPAS) bzw. 99° (SARSAT) geneigten Bahn, so dass ein gegebener Punkt auf der Erdoberfläche nach spätestens vier Stunden von einem der Satelliten erfasst wird. Falls im empfangenen Notsignal keine GPS-Position enthalten ist, kann ein solcher Satellit aus seiner Eigenbewegung gegenüber der Signalquelle und der daraus resultierenden Frequenzänderung durch den Dopplereffekt die ungefähre Position der Signalquelle mit einer Genauigkeit von etwa 1-3 Seemeilen bestimmen.

Die geostationären Satelliten des GEOSAR-Systems können mangels Eigenbewegung gegenüber der sendenden EPIRB nicht selbst deren Position bestimmen. Ihr Vorteil liegt darin, daß sie ständig große Teile der Erdoberfläche im Blick haben und dementsprechend schnell Notsignale empfangen und weitergeben können.

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COVID-19 und Fernerkundung

In Kooperation haben ESA, NASA und JAXA ein neues Werkzeug geschaffen, das eine Fülle von Daten von Erdbeobachtungssatelliten kombiniert, um die weltweiten Auswirkungen von COVID-19 zu überwachen. Diese neue Online-Plattform ist jetzt für die Öffentlichkeit zugänglich.

Das neue "COVID-19 Earth Observation Dashboard" integriert mehrere Satellitendatensätze der drei Raumfahrtbehörden mit Analysewerkzeugen, um den Benutzern die Verfolgung von Veränderungen der Luft- und Wasserqualität, des Klimawandels, der Wirtschaftstätigkeit und der Landwirtschaft zu ermöglichen. Die Plattform der drei Agenturen bietet der breiten Öffentlichkeit und den politischen Entscheidungsträgern eine einzigartige Möglichkeit zur Erforschung der kurz- und langfristigen Auswirkungen des Coronavirus-Lockdowns.

Die Coronavirus-Pandemie hat beispiellose Herausforderungen mit schwerwiegenden gesellschaftlichen Folgen mit sich gebracht. Anfang Juni 2020 riefen die ESA und die Europäische Kommission die "Rapid Action COVID-19 Earth Observation"-Initiative ins Leben, die eine europäische Plattform zur Bereitstellung von COVID-bezogenen Informationen unter Verwendung von Copernicus-Sentinel-Satellitendaten ermöglichte.

Vergleich der NO2-Belastung in Europa zwischen März/April 2019 und 2020 Vergleich der NO2-Belastung in Europa zwischen März/April 2019 und 2020

Die Benelux-Länder, Westdeutschland, Norditalien, das südliche Großbritannien, sowie Hotspots wie die Poebene, Madrid, Paris, Mailand und Rom zeigen im Vergleich zum Vorjahr einen Rückgang des troposphärischen NO2 um mehr als 40 Prozent. Die angesprochenen, wetterbedingten Schwankungen wurden durch die Bildung von Monatsmitteln reduziert. Gemittelt wurde hier über den Zeitraum 16.03 – 15.04. Eine Bereinigung des Wettereinflusses durch die im Text beschriebene Kombination aus langjährigen Satellitenbeobachtungen, In-situ-Messungen und Modellberechnungen erfolgte hier nicht.

Quelle: DLR
Vergleich der NO2-Belastung in Asien zwischen 2019 und 2020 Vergleich der NO2-Belastung in Asien zwischen 2019 und 2020

Auch die hochauflösenden Daten von Sentinel 5P zeigen über Asien einen NO2-Rückgang im Vergleich zum Vorjahr von teilweise mehr als 40 Prozent. Der Rückgang beschränkt sich dabei nicht auf große Städte. Wenn auch Mumbai und Delhi in Indien im Vergleich zum Jahr 2019 sogar einen Rückgang in einer Größenordnung von 40-60 Prozent aufweisen. Die angesprochenen, wetterbedingten Schwankungen wurden durch die Bildung von Monatsmitteln reduziert. Eine Bereinigung des Wettereinflusses durch die im Text beschriebene Kombination aus langjährigen Satellitenbeobachtungen, In situ-Messungen und Modellberechnungen erfolgte hier nicht.

Quelle: DLR

Da die Herausforderungen, denen wir uns im Zusammenhang mit COVID-19 gegenübersehen, von Natur aus globaler Natur sind, ist die internationale Zusammenarbeit zwischen den Raumfahrtbehörden von entscheidender Bedeutung. Das Dashboard für die Erdbeobachtung ermöglicht es den Benutzern, zu erforschen und zu untersuchen, wie sich regionale Sperren und räumliche Distanzierungsmaßnahmen auf Luft, Land und Wasser der Erde ausgewirkt haben.

Veränderungen der Luftqualität waren zum Beispiel eine der zuerst bemerkten Auswirkungen der Beschränkungen, die eingeführt wurden, um die Ausbreitung der Coronavirus-Krankheit einzudämmen. Stickstoffdioxid, das durch die Abgase des dichten Verkehrs, die Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie durch industrielle Aktivitäten verursacht wird, ist in den Satellitendaten deutlich zu erkennen. Das Dashboard führt neue und historische Stickstoffdioxid-Datensätze zum Vergleich zusammen, ebenso wie gezielte regionale Gebiete wie Los Angeles, Tokio, Peking, Paris und Madrid.

Veränderungen beim Kohlendioxid werden ebenfalls im Dashboard hervorgehoben, um zu beobachten, wie globale und lokale Reaktionen auf die Pandemie die Konzentrationen dieses Treibhausgases verändert haben. Das Dashboard ermöglicht die kurz- und langfristigen Veränderungen des Kohlendioxids auf globaler Ebene sowie Beobachtungen in ausgewählten städtischen Gebieten wie New York, San Francisco und Delhi.

Das Dashboard zeigt auch gezielte Satellitenbeobachtungen der Gesamtkonzentration von Schwebstoffen und Chlorophyll in ausgewählten Küstengebieten, Häfen und halbgeschlossenen Buchten, um zu beurteilen, was diese Veränderungen der Wasserqualität verursacht hat, wie weit verbreitet sie sein könnten und wie lange sie andauern. Long Island Sound, die Nordadria und die Bucht von Tokio gehören zu den untersuchten Gebieten.

Das COVID-19 Earth Observation Dashboard liefert auch Beobachtungen der Schifffahrtsaktivitäten in Häfen, geparkte Autos und nächtliche Lichter in städtischen Gebieten, um zu zeigen, wie bestimmte Wirtschaftssektoren betroffen sind. Diese Daten werden im Dashboard dargestellt, um Veränderungen in Los Angeles, im Hafen von Dünkirchen, in Peking und an verschiedenen anderen Orten zu quantifizieren.

Das Dashboard verwendet Daten der NASA-Satelliten Aura und OCO-2, der JAXA-Satelliten GOSAT und ALOS-2, der Sentinel-Missionen des von der EU-Kommission geleiteten europäischen Copernicus-Programms sowie Nachtlicht-Karten unter Verwendung der vom amerikanischen Satelliten SUOMI NPP gewonnenen Daten.

In den kommenden Monaten wird das Dashboard mit neuen Daten erweitert und um neue Abschnitte ergänzt werden. Das COVID-19 Earth Observation Dashboard ist über folgendem Link verfügbar: https://eodashboard.org

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CPR

Engl. Akronym für Cloud Profiling Radar; ein satellitengestütztes Wetterradar an Bord von CloudSat, das den Abstand der Wolkendecke in der Troposphäre von der Satellitenhöhe misst. Das Radar arbeitet mit einer Frequenz von 94 GHz und misst die Energie, die von den Wolken zurückgeworfen wird in Abhängigkeit von ihrer Distanz. Daraus können Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Wolken, insbesondere auf das Vorhandensein von Wasser und Eis innerhalb der Wolke, gezogen werden. Das CPR ist etwa 1000 mal empfindlicher als das Radar eines herkömmlichen Wettersatelliten und kann so auch sehr dicke Wolken mit starken Regen- und Schneefällen noch durchdringen und detailliert analysieren. Das CPR ist Bestandteil einer gemeinsamen Mission von NASA und CSA.

Der Taifun Choi-Wan - beobachtet von CPR

Das 94 GHz Cloud Profiling Radar des Satelliten CloudSat fliegt direkt über den Taifun Choi-Wan am 15.9.2009 um 0353 UTC. Die Abbildung zeigt einen Vertikalschnitt in S-N-Richtung der Radar-Reflektivität für diesen Sturm, als er sich ungefähr 450 km nördlich von Guam befand.

In der oberen Ansicht ist der horizontale Abbildungsmaßstab um den Faktor 6,7 komprimiert um die vertikale Struktur stärker zu betonen. In der unteren Ansicht ist nur das Gebiet innerhalb eines Radius von 50 km dargestellt, was den sekundären Augenwall (eyewall) ausschließt. Aber das Seitenverhältnis ist 1 : 1, so dass die charakteristischen Eigenschaften der Natur entsprechend wiedergeben sind. Reflektanzwerte unter −20 dBZ wurden der klareren Darstellung willen entfernt. Die horizontale Auflösung von CloudSat quer zur Flugrichtung (cross-track resolution) beträgt 1,4 km.

Der Taifun Choi-Wan, beobachtet von CPR Taifun (CPR) Quelle: NASA JPL

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CREODIAS

CREODIAS bietet kommerzielle Dienste für das Copernicus Data Space Ecosystem, das von einem Konsortium bestehend aus T-Systems als führendem Unternehmen, CloudFerro, Sinergise, VITO, DLR, ACRI-ST und RHEA angeboten wird. Die Plattform bietet unmittelbaren Zugang zu den Daten und Diensten der Copernicus-Sentinel-Satelliten, zu Envisat- und ESA/Landsat-Daten sowie zu anderen EO-Daten.

Das Design der Plattform ermöglicht es Drittnutzern, Prototypen zu erstellen und eigene Mehrwertdienste und -produkte zu entwickeln. Eine Reihe einschlägiger Tools garantiert die Einfachheit, Skalierbarkeit und Wiederholbarkeit der Wertschöpfungskette eines jeden Dienstes. CREODIAS bietet integrierte öffentliche Cloud-Dienste für die Datenverarbeitung und serverlose Verarbeitung.

Hintergrund

2017 unterzeichnete die ESA im Namen der Europäischen Kommission einen CREODIAS-Vertrag mit einem Konsortium unter der Leitung von Creotech Instruments S.A., zu dem auch CloudFerro, das Wroclaw Institute of Spatial Information and Artificial Intelligence (WIZIPISI), Geomatys, Eversis und Sinergise gehörten. CREODIAS war eine der fünf DIAS-Plattformen (Data and Information Access Services), die den Zugang zu Copernicus-Erdbeobachtungsdaten sowie zu Verarbeitungswerkzeugen erleichterten und standardisierten. CloudFerro spielte in dem Projekt eine Schlüsselrolle, da es für den Aufbau, die Entwicklung und den Betrieb des EO-Datenspeichers (Datenerfassung, -speicherung und -verbreitung) sowie für die Bereitstellung von Cloud-Diensten für die Datenverarbeitung verantwortlich war.

Innerhalb von fünf Jahren seit dem Start im Jahr 2018 hat CREODIAS mehr als 20 000 registrierte Nutzer aus 190 Ländern gewonnen und bietet nun mehr als 36 PB an lokal verfügbaren EO-Daten mit einem täglichen Zuwachs von über 26 TB.

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CRESDA

Engl. Akronym für China Centre for Resources Satellite Data and Application; staatlicher Hauptauftragsnehmer des chinesischen Weltraumprogramms.

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CrIS

Engl. Akronym für Cross-track Infrared Sounder; das CrIS ist ein Michelson-Interferometer zur Messung der Temperatur und Feuchtigkeitskonzentration der Erdatmosphäre. CrIS funktioniert am besten bei klarem bis teilweise bewölktem Himmel, da die Infrarotenergie dicke Wolken nicht durchdringt. Aus diesem Grund arbeitet CrIS im Tandem mit dem Advanced Technology Microwave Sounder (ATMS), da die Mikrowellenenergie dieses Instruments die meisten Wolken durchdringen kann.

Gemeinsam erstellen die Instrumente CrIS und ATMS globale, hochauflösende und dreidimensionale atmosphärische Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsprofile aus dem Weltraum. CrIS sammelt auch Informationen über Treibhausgase, vor allem in der mittleren und oberen Atmosphäre. Sowohl CrIS als auch ATMS liefern wichtige atmosphärische Sondierungsdaten für die Wettervorhersage.

CrIS ist ein Schlüsselinstrument, das derzeit auf den Satelliten Suomi NPP, NOAA-20 und NOAA-21 eingesetzt wird. CrIS wird auch auf den JPSS-3- und -4-Satelliten fliegen. Funktionell sind CrIS und ATMS durchaus vergleichbar mit AIRS, AMSU und HSB.

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CRISTA

Engl. Akronym für Cryogenic Infrared Spectrometers and Telescopes for the Atmosphere; an der Universität Wuppertal entwickeltes, horizontsondierendes System zur Messung infraroter Emissionen der irdischen Atmosphäre. Sein Einsatz erfolgte in den neunziger Jahren an Bord von Space Shuttle.

CRISTAL

Engl. Akronym für Copernicus Polar Ice and Snow Topography Altimeter; geplante, aus zwei Satelliten bestehende Copernicus-Mission, die erstmals im Rahmen einer Polarmission einen Zweifrequenz-Radarhöhenmesser und ein Mikrowellen-Radiometer mitführen wird, mit denen sich die Meereisdicke, sowie die Höhe der Eisdecke über Land sowie die über dem Eis liegende Schneehöhe messen und überwachen lassen.

Die Mächtigkeit der Schneedecke hat einen Einfluss darauf, ob und wie schnell das darunterliegende Eis schmilzt ق│ô oder eben nicht. Bisherige Erdbeobachtungssatelliten waren nicht in der Lage, Schnee von Eis zu unterscheiden. CRISTAL schickt seine Radarimpulse auf verschiedenen Frequenzen, die unterschiedlich tief in die Schneedecke eindringen, aber z. T. nicht in die Eisdecke. Dieses Multifrequenzradar kann dann durch Differenzmessungen die Schneedicke bestimmen.

Ferner wird CRISTAL Windstärken aus dem All messen können. Je nach Windstärke ist die Ozeanoberfläche mehr oder weniger aufgewühlt. Die Wellen bestimmen die Zeit, die die Radarstrahlen auf dem Weg zurück zum Satelliten in der Umlaufbahn benötigen. Aus der Laufzeit der Signale kann man auf den Wellengang schließen.

Der Einsatz von Radar ist von Vorteil, weil gerade die Polargebiete oft wolkenbedeckt sind. Mit optischen Sensoren wären Aufnahmen stets nur sehr eingeschränkt möglich. Abgesehen davon kann man mit optischen Sensoren nur die Eisfläche bestimmen, aber nicht die Eisdicke.

Diese Daten werden die maritimen Aktivitäten in den Polarmeerregionen maßgeblich unterstützen und zu einem besseren Verständnis der Klimaprozesse beitragen. CRISTAL wird zudem Anwendungen im Zusammenhang mit Küsten- und Binnengewässern bestärken und Beobachtungen der Ozeantopographie liefern.

Die Mission wird langfristig die Kontinuität der Aufzeichnungen über Eishöhen und die topographischen Veränderungen sicherstellen und damit an frühere ESA-Missionen wie zum Beispiel den Earth Explorer CryoSat anknüpfen. Ihr Start ist für 2027 geplant.

Sechs feste und zwei entfaltbare Solaranlagen - insgesamt 18,6 m² - sorgen für genügend Leistung auf einer polaren Umlaufbahn in 760 km Höhe über der Erde. Sein Bordspeicher wird in der Lage sein, bis zu 4 Terabit an wissenschaftlichen Daten auf einmal zu speichern und den Wissenschaftlern während seiner 7,5-jährigen Lebensdauer eine Fülle von Informationen zu liefern. Der Airbus-Standort von Airbus Defence and Space in Immenstaad (Deutschland) wird ein Industriekonsortium leiten, an dem Unternehmen aus 19 Ländern beteiligt sind, um das 300 Mio. teure Projekt zu verwirklichen, darunter Thales Alenia Space für den interferometrischen Radarhöhenmesser IRIS.

Das 1,7 Tonnen schwere Raumfahrzeug basiert auf einem bewährten, robusten Airbus-Satellitendesign, das auf dem Erbe von Sentinel-6 und CryoSat aufbaut.

CRISTAL ist Teil der geplanten Erweiterung des Copernicus-Weltraumprogramms der ESA in Partnerschaft mit der Europäischen Kommission. Nach der Copernicus-Mission zur Überwachung des Kohlenstoffdioxidausstoßes (CO2M), ist dies der zweite Vertrag der sechs neuen hochprioritären Kandidaten-Missionen Europas, der unterzeichnet wurde.

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Cross-Kalibrierung

Engl. cross calibration, franz. étalonnage en correspondance; nach DIN 18716 ein "gegenseitiger Vergleich der gemessenen Daten von verschiedenen Sensoren über der gleichen Fläche und bei annähernd gleichem Aufnahmezeitpunkt zur Übertragung der Kalibrierung".

Crowdsensing

Crowdsensing, auch mobiles Crowdsensing, ist ein aus dem Terminus Crowdsourcing hervorgegangener Begriff, der das Sammeln und die Verarbeiten von Daten unter Einbeziehung einer großflächig verteilten Menschengruppe beinhaltet. Ziel kann z.B. die Lösung einer Aufgabe mit Hilfe dieser Teilnehmer sein oder die Überwachung einer großen Menschengruppierung. Statische Wireless Sensor Networks haben oftmals keine ausreichende Funkabdeckung und einen hohen Wartungs- und Installationsaufwand. So scheint es einleuchtend, mobile Geräte (z.B. Smartphone, Smartwatch, Tablet Computer) der Endnutzer für eine lokale Datensammlung zu nutzen. Neben Lokationsdaten und klassischen Kontextinformationen wie Helligkeit und Hintergrundgeräuschen, ist es wahrscheinlich, dass in Zukunft durch neuartige Sensoren in den Mobilgeräten auch Informationen über Luftverschmutzung und das aktuelle Verkehrsaufkommen aufgenommen werden. Schon jetzt können die meisten Smartphones das Umgebungslicht aufspüren, ebenso Geräusche (über das Mikrophon), den Ort (mit Hilfe von GPS), die Bewegung (mit Hilfe des Beschleunigungssensors) und weitere. So können beispielsweise durch die Kombination von GPS- und Accelerometerdaten Schlaglöcher in städtischen Straßen aufgespürt werden, oder Mikrophone können zusammen mit dem GPS-Modul verwendet werden um Lärmbelastungen zu kartieren.

Die zunehmende Ausstattung unserer Umgebung mit Sensoren, z.B. in Fahrzeugen, Infrastruktureinrichtungen und auch am Menschen, führt dazu, dass Sensoren und deren Daten allgegenwärtig sind. Willentlich oder unwillentlich erzeugen und liefern wir immer größerer Datenmengen und befördern damit das Crowdsensing. Der überwiegende Teil der in den vergangenen Jahren weltweit erfassten Daten bildeten Video- und Bilddaten. Noch sind die Crowdsensing-Daten hinsichtlich räumlicher Auflösung den durch hochgenaue Messgeräte erfassten Daten unterlegen. Man rechnet aber mit einem qualitätsmäßigen Aufholen der Crowdsensing-Daten gegenüber den Daten der aktuellen Vermessungstechnologien.

Um Crowd Sensing-Anwendungen zu erstellen, müssen ein Belohnungssystem bzw. soziale Anreize existieren um ausreichend Teilnehmer zu erreichen. Neben dieser psychologischen Komponente, existieren Anforderungen an das Routing, die Datenverarbeitung und das Energiemanagement. Weiterhin werfen große Deployments Fragen bzgl. Privatsphäre, Anonymität der Teilnehmer und ethische Aspekte auf.

Unter den Crowdsensing-Daten sind sowohl in situ-Daten, wie auch Fernerkundungsdaten.

CryoSat I / II

CryoSat-II ist ein Satellit zur Vermessung der terrestrischen und marinen Eisdicken in Arktis und Antarktis, der damit wichtige Daten für die Klimaforschung liefert. Sein Vorgänger CryoSat-I, der erste Satellit des ESA-Programms Living Planet sollte im Rahmen der Earth Explorer Gelegenheitsmissionen im Oktober 2005 mit einer Rockot-Trägerrakete vom russischen Weltraumbahnhof Plesetzk gestartet werden. Die Mission schlug wegen eines Programmierfehlers der Trägerrakete fehl. Der Start von CryoSat-II erfolgte im April 2010 mit einer Dnepr-Trägerrakete (Konversionsrakete SS-18 „Satan") vom Kosmodrom Baikonur (Kasachstan).

Die bedeutendste Auswirkung einer Klimaveränderung könnte eine Zu- oder Abnahme der Eismassen der Erde sein. Diese ist jedoch schwer zu beobachten, da bislang nur die Fläche des Eises von Satelliten bestimmt werden konnten, nicht jedoch seine Dicke bzw. das Volumen. Mit CryoSat-II kann man erstmals Veränderungen der Dicke des Eises bzw. von dessen Massenbilanzen beobachten. Deshalb kommt den Polargebieten eine wesentliche Rolle beim Verständnis und der Beobachtung von Klimaschwankungen zu. Mit Hilfe der Radar-Interferometrie lässt sich auch die Fließgeschwindigkeit des Eises exakt ermitteln. Dabei werden zwei Radarbilder zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen und anschließend elektronisch überlagert. Als Ergebnis erhält man dann die Fließgeschwindigkeit des Eises.

Auch ist es mit CryoSat möglich, im Gegensatz zu den beendeten Missionen ERS 1/2 (Beobachtungsfeld nur bis je 81° N/S), fast die kompletten Polarregionen zu dokumentieren (Beobachtungsfeld bis je 88° N/S).

Wesentliches Ziel der Mission ist die Bestimmung der Massenbilanz in der Kryosphäre im Hinblick auf erwartete Veränderungen durch die globale Klimaerwärmung. Dieses Ziel umfasst insbesondere die Bestimmung der saisonalen und interannualen Variabilität sowie regionaler Trends der Dicke und Ausdehnung mehrjährigen arktischen Meereises, sowie die Verbesserung von Abschätzungen über den Beitrag der antarktischen und grönländischen Eisschilde zu globalen Meeresspiegelschwankungen.

Der Eissatellit CryoSat Der Eissatellit CryoSat

Die wichtigsten Komponenten von CryoSat:

  1. Radiator - ein hitzeabstrahlendes Paneel, an der Spitze der nasenartigen Struktur, die die SIRAL-Elektronik unter den Sonnenkollektoren beinhaltet
  2. Star Tracker - die drei Exemplare sind direkt auf dem Antennenträger montiert
  3. Antennen Bodenplatte
  4. SIRAL Antennen - das Herzstück von CryoSat, nach vorne durch eine radardurchlässige Wärmeisolationsfolie geschützt
  5. Laser Retroreflector - Positionsbestimmung durch die Reflexion von über Bodenstationen ausgesandten Laserpulsen
  6. DORIS Antenne - Orbitbestimmung durch den Empfang von Funksignalen aus einem globalen Netz von Bodensendern
  7. X-Band Antenne - Datendownlink zur Bodenstation in Kiruna (Nordschweden), aktiv sobald der Satellit über dem Horizont ist
  8. S-Band Antenne - Kommunikation zu Status, Monitoring, Befehlsempfang
Quelle: CryoSat Projektbüro / ESA

Die Interpretation der CryoSat-Messungen wird jedoch dadurch erschwert, dass sich Massenverschiebungen des Eises auch durch die Drift des Meereises und das Fliessen der Gletscher ergeben können. Somit ist eine Dickenabnahme des Eises nicht grundsätzlich mit Schmelzen gleichzusetzen.

Drei Aspekte besitzen eine besondere Bedeutung, sie reagieren empfindlich selbst auf geringe Veränderungen:

CryoSat umkreist die Erde in 720 km Höhe mit 92° Neigung auf einem nicht-sonnensynchronen Orbit. Der Wiederholzyklus beträgt 369 Tage. Der Satellit arbeitet mit dem SAR/interferometrischen Radaraltimeter SIRAL (horizontale Auflösung ca. 300 m, vertikale Auflösung 1 bis 3 cm), ein Instrument das als erstes seiner Art speziell für die Eisbeobachtung entwickelt wurde. Im Gegensatz zu älteren Radarsatelliten wie z.B. ERS-1 und -2, verfügt CryoSat über zwei Radarantennen. Damit kann die Erdoberfläche räumlich vermessen werden. Das Prinzip ist vergleichbar der Methode, die bei der SRTM-Mission angewandt wurde. Es ermöglicht Höhenmessungen bis zu einer Genauigkeit von 1-3 cm. Dazu sendet ein Radar pro Sekunde 20.000 Pulse aus und empfängt die vom Boden zurückgeworfenen Echos. Aus der Laufzeit der Signale lässt sich die Entfernung zur Oberfläche bestimmen.

Voraussetzung für die Präzisionsmessungen ist die zentimetergenaue Kenntnis der Orbithöhe über der Erdoberfläche. In CryoSat ist dazu das französische DORIS-System eingebaut. Die Außenseite des Satelliten trägt außerdem einen Laserreflektor (LRR). Ähnlich wie beim Radarstrahl wird die Laufzeit eines von der Erde gesendeten und vom Reflektor zurückgeworfenen Laserpulses gemessen und daraus die Bahnhöhe ermittelt.

Dank Radar kann CryoSats Schlüsselinstrument zu jeder Tages- und Jahreszeit Daten liefern, rund um die Uhr. Weder Wolken noch ungünstige Lichtverhältnisse stören das Instrument.

Messung des Freibords von Meereis

CryoSat ist in der Lage, mit seinem empfindlichen Höhenmesser den Freibord (die Höhe, die über das Wasser hinausragt) von schwimmendem Meereis zu messen. Aus dem Freibord kann die Eisdicke abgeschätzt werden.

Der CryoSat-Höhenmesser sendet einen Impuls-Burst in einem Intervall von nur etwa 50 Mikrosekunden. Die zurückkehrenden Echos werden korreliert, und durch die gemeinsame Behandlung des gesamten Bursts kann der Datenprozessor das Echo in Streifen aufteilen, die über die Spur angeordnet sind, indem er die durch den Doppler-Effekt verursachten leichten Frequenzverschiebungen in den vor- und rückwärts gerichteten Teilen des Strahls ausnutzt. (vgl. Abb. unten)

Jeder Streifen ist etwa 250 m breit und der Abstand zwischen den Bursts ist so angeordnet, dass sich der Satellit jedes Mal um 250 m vorwärts bewegt. Die durch aufeinanderfolgende Bursts festgelegten Streifen können daher zur Reduzierung des Rauschens übereinander gelegt und gemittelt werden. Diese Betriebsart wird als Synthetic Aperture Radar - oder SAR - Modus bezeichnet.

Um den Einfallswinkel zu messen, empfängt eine zweite Antenne gleichzeitig das Radarecho. Wenn das Echo von einem Punkt kommt, der nicht direkt unter dem Satelliten liegt, gibt es einen Unterschied in der Weglänge der Radarwelle, die gemessen wird. Die einfache Geometrie liefert dann den Winkel zwischen der "Grundlinie", die die Antennen verbindet, und der Echorichtung.

Zusätzlich zum Höhenmesser ist die Kenntnis der genauen Ausrichtung der Grundlinie der beiden Empfangsantennen unerlässlich. CryoSat misst diese Grundlinienorientierung unter Verwendung der ältesten und genauesten Referenz: der Position der Sterne am Himmel.

Drei auf der Antennenträgerstruktur montierte Sternen-Tracker nehmen jeweils fünf Bilder pro Sekunde auf. Die Bilder werden von den eingebauten Computern der Star Tracker analysiert und mit einem Katalog von Sternpositionen verglichen.

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Prinzipskizze der Messung des Freibordes von Meereis

Der CryoSat-Höhenmesser sendet einen Impulssatz in einem Intervall von etwa 50 Mikrosekunden. Die zurückkehrenden Echos sind korreliert, und indem der Datenprozessor den gesamten Burst zusammen behandelt, kann er das Echo in Streifen trennen, die quer über die Spur angeordnet sind, indem er die leichten Frequenzverschiebungen ausnutzt, die durch den Doppler-Effekt in den vorwärts- und rückwärtsgerichteten Teilen des Strahls verursacht werden.

Quelle: ESA

CryoSat-II, an dessen Bau 31 Unternehmen aus 17 Ländern beteiligt waren, wurde Anfang September 2008 bei Astrium (heute Airbus Defence & Space) in Immenstaad am Bodensee fertiggestellt und zu mehrmonatigen Tests, wie auch schon bei CryoSat-I geschehen, an die IABG in Ottobrunn übergeben. CryoSat wurde für seine Neuauflage konsequent weiter entwickelt, das operative Handling verbessert und essenzielle Komponenten des Radars, dem Hauptforschungsinstrument, redundant ausgelegt. Die Mission war zunächst auf drei Jahre ausgelegt, sie wurde aber wegen des guten Zustands des Satelliten und der hohen Qualität der gewonnen Daten wiederholt verlängert und ist 2020 noch immer aktiv. Daten von CryoSat sind z.B. über das 1913 eingerichtete Portal meereisportal.de des AWI erhältlich.

cryosat_antarctic3 CryoSat - Antarktischer Eisschild

Zum ersten Mal sind Daten der CryoSat-Mission dazu verwendet worden, die Höhe des antarktischen Eisschildes zu kartieren. Die vorläufigen Daten, die für die nebenstehende Grafik verwendet wurden, sind vom Februar und März 2011. Für Detailstudien müssen noch weitere Daten zusammengetragen werden.
Da CryoSat näher an den Polen vorbeifliegt als andere Erdbeobachtungsmissionen, kann er auch mehr polnahe Daten sammeln. Der äußere weiße Kreis markiert die Grenzen von früheren Missionen und der Kreis zeigt, dass CryoSat Daten bis zu einer Breite von 88° sammeln kann.
Bereits 2014 zeigten Beobachtungsdaten von CryoSat über drei Jahre hinweg, dass der antarktische Eisschild jedes Jahr 159 Mrd. Tonnen Eis verliert. Diese Eisverluste tragen mit 0,45 mm/a zum Meeresspiegelanstieg bei.

Quelle: ESA

Datenabruf

Über die neue cs2eo-Website besteht ab 2022 eine All-in-One-Ressource für alle, die mit CryoSat-Daten arbeiten. Damit wird es einfacher und schneller, mit kombinierten CryoSat- und ICESat-Altimetriedaten zu arbeiten.

Das neue und kostenlose Portal (cs2eo.org) dient dem Erkunden, Kombinieren und Herunterladen von luft- und weltraumgestützten Altimetriedaten von CryoSat-2, ICESat-2, CryoVEx, IceBridge und CryoTEMPO-EOLIS. Es wurde von Earthwave und der University of Edinburgh School of Geosciences im Rahmen des CryoTEMPO-Programms der ESA entwickelt.

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CSA

Engl. Akronym für Canadian Space Agency, die kanadische Weltraumagentur

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CSIRO

Engl. Akronym für Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation; staatliche Behörde Australiens für wissenschaftliche und industrielle Forschung.

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CubeMAP

Die inzwischen abgesagte Scout-Mission 'CubeMAP' der ESA sollte Teil einer Konstellation von CubeSats sein, die sich auf das Verständnis und die Quantifizierung atmosphärischer Prozesse in der oberen Troposphäre und in der Stratosphäre konzentrieren. Insbesondere werden Beobachtungen in tropischen und subtropischen Breitengraden durchgeführt, um Gase wie Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Ozon und Distickstoffoxid sowie Aerosole zu beobachten, die alle eine Schlüsselrolle beim Treibhauseffekt und beim Klimawandel spielen.

Die Mission besteht aus drei CubeSats, von denen jeder ein thermisches Infrarotspektrometer sowie einen sichtbaren Nahinfrarot-Hyperspektralbildgeber für die Sonnenscheibe als Sekundärinstrument trägt. CubeMAP ist eine der neuen Scout-Missionen, die ein neues Element im Erdbeobachtungsprogramm der ESA darstellen. Im Rahmen des 'New Space'-Konzepts sollen mit Hilfe von Kleinsatelliten neue Konzepte erprobt werden, die den Daten aktueller Satelliten einen wissenschaftlichen Mehrwert verleihen.

Die Mission war auf eine Betriebsdauer von zwei Jahren in der Umlaufbahn ausgelegt, um mehr als einen vollen Jahreszyklus abzudecken, mit dem Ziel, die Mission auf vier Jahre zu verlängern, um die Auswirkungen der El Niño / Southern Oscillation (ENSO) zu erfassen. Der Start war für 2024 vorgesehen.

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CubeSat

Ein 1999 von der Stanford University und California Polytechnic State University initiiertes internationales Programm, das es ermöglicht, kostengünstige Kleinsatelliten in eine Umlaufbahn zu bringen. Dieses akademische Technologieprojekt sollte es Studenten ermöglichen, Design-, Herstellungs- und Testerfahrungen mit Kleinsatelliten für die niedrige Erdumlaufbahn (LEO) innerhalb der zeitlichen und finanziellen Grenzen eines Graduiertenprogramms zu sammeln.

Dafür wurde ein standardisiertes Format bezüglich Masse und Volumen geschaffen, dem diese Satelliten entsprechen müssen: Sie haben in der Standardform (1U von englisch one unit für eine Einheit) Abmessungen von 10 cm × 10 cm × 10 cm und ein Gewicht von maximal 1,33 kg. Diese Satelliten werden in einer speziellen Startvorrichtung (Poly Picosatellite Orbital Deployer oder P-POD), die drei CubeSats aufnehmen kann, als Sekundärnutzlast bei Satellitenstarts mitgeführt. Außerdem wurde von der japanischen Titech-Universität eine Startvorrichtung für einzelne CubeSats entwickelt.

CubeSats - Größen und Einheiten CubeSats - Größen und Einheiten Quelle: GISGeography

Wenn man jedoch weitere Funktionen wie Solarpaneele, Kommunikationsantennen und Bildgeber hinzufügt, kommen weitere Einheiten (U) hinzu. Wenn man zum Beispiel 6 zusätzliche Einheiten hinzufügt, entspricht das 6U.

Die CubeSats von Planet (auch als Doves bekannt) haben beispielsweise einen Formfaktor von 3U (10cm x 10cm x 30cm) und enthalten hauptsächlich Standardkomponenten wie ein optisches Kamerasystem, ein Solarpanel und eine Kommunikationsantenne.

Die Festlegung der Abmessungen des Satellitenkörpers fördert ein hochmodulares, hochintegriertes System, bei dem Satelliten-Subsysteme als "kommerzielle Off-the-Shelf"-Produkte von verschiedenen Anbietern erhältlich sind und je nach Bedarf der Mission zusammengefügt werden können. Dadurch können CubeSat-Projekte im Vergleich zu herkömmlichen Satellitenprogrammen wesentlich schneller flugbereit gemacht werden, typischerweise innerhalb von ein bis zwei Jahren.

Das CubeSat-Konzept ist sehr beliebt geworden, sowohl in Universitätsgruppen als auch bei Forschern, Raumfahrtbehörden, Regierungen und Unternehmen. CubeSats bieten eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit für eine Vielzahl von Akteuren, im Weltraum aktiv zu sein und ermöglichen einen schnellen Innovationszyklus.

Die ersten sechs CubeSats wurden im Juni 2003 vom russischen Startplatz Plessezk mit einer Rockot Trägerrakete gestartet.

Bis August 2021 sind mehr als 1.600 CubeSats gestartet worden. Die kleinen Raumfahrzeuge haben sich zu einem bedeutenden globalen Betätigungsfeld entwickelt, das sowohl nationale Raumfahrtagenturen als auch viele kommerzielle Akteure umfasst. Im Mai machten CubeSats sogar den Schritt ins All, als zwei davon gestartet wurden, um die InSight-Mission zum Mars zu unterstützen.

Bisher wurden die kleinsten Satellitenklassen - bis hin zu den winzigen CubeSats - in der Regel "huckepack" in die Umlaufbahn gebracht. Sie müssen jede freie Kapazität nutzen, wenn ein einzelner großer Satellit gestartet wird, was bedeutet, dass ihre Startmöglichkeiten insgesamt begrenzt sind.

Inzwischen ermöglichen es neuere Technologien, mehrere Kleinsatelliten mit einer einzigen Rakete ins All zu bringen. Der dazu entwickelte SSMS-Dispenser für die ESA-Rakete Vega ist eine modulare, leichte Struktur aus Carbonfaser, die bis sehr kurz vor dem Start so konfiguriert werden, dass sie Satelliten in unterschiedlichster Anzahl und von unterschiedlichster Größen mitnehmen kann. Somit bietet Vega erschwingliche und praktische Startmöglichkeiten für kleine Satelliten, und diese sind nicht länger darauf angewiesen, nur als sekundäre Nutzlasten mit erheblich größeren Satelliten ins All fliegen zu können. Nachdem der Dispenser die Satelliten freigegeben hat, verlässt er den Orbit, um das Erzeugen von Weltraummüll zu vermeiden.

.... Vega VV16 with SSMS and SAT-AIS

Künstlerische Ansicht von Vega VV16 mit dem SSMS-Dispenser (Small Spacecraft Mission Service) und SAT-AIS (satellitenbasiertes automatisches Schiffs-Identifizierungssystem).

Zu sehen sind die Zefiro-9-Oberstufe, das Attitude Vernier Upper Module (AVUM) und der SSMS-Dispenser mit seiner Satelliten-Nutzlast.

Mit dem neuen Vega Small Spacecraft Mission Service entsteht ein "Ride-Share"-Modell, bei dem mehrere Kleinsatelliten gemeinsam geflogen werden und die Startkosten geteilt werden.

Quelle: ESA 2020

Weshalb die ESA sich für CubeSats interessiert

CubeSats haben sich bereits als Lehrmittel bewährt. Darüber hinaus haben sie verschiedene vielversprechende Anwendungen im Rahmen der ESA:

Weitere Informationen:

Cubic Convolution

Dt. Kubische Faltung; Resampling-Methode, bei der sich der zuzuweisende Grauwert aus dem gewichteten Mittel der umliegenden 16 Grauwerte des bestehenden Rasters ergibt.

Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS)

CYGNSS ist ein von der University of Michigan und vom Southwest Research Institute unter Mitwirkung der Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) entwickeltes und von der NASA unterstütztes System zur Optimierung der Hurrikan-Vorhersage. Dies soll über ein verbessertes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre im Bereich des Sturmzentrums erreicht werden.

CYGNSS besteht aus einer Konstellation von acht Mikrosatelliten, die sich auf einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) in 510 km Höhe bewegen. Die NASA brachte die Satelliten im Dezember 2016 mit einer einzigen Trägerrakete (Pegasus XL) ins All, von wo sie zwei Hurrikan-Saisons im Bereich zwischen 35° nördlicher und südlicher Breite überwachen sollen. Im Februar 2025 ist das System noch immer aktiv, allerdings bei einem Ausfall im November 2022.

Bei der Vorhersage der Zugbahnen von tropischen Wirbelstürmen hat es seit 1990 eine Verbesserung von ca. 50 % gegeben, aber eine entsprechende Verbesserung bei der Vorhersage der Sturmstärke hat sich im gleichen Zeitraum nicht eingestellt. Man rechnet damit, dass ein besseres Verständnis der Vorgänge im Kern dieser Stürme zu besseren Vorhersagen führen könnte. Allerdings sind die aktuellen Sensoren nicht in der Lage, entsprechende Daten in ausreichender Qualität zu liefern, da Regenbänder - vor allem an den Wolkenwänden um das Auge - die Beobachtung behindern und die Messungen nicht häufig genug erfolgen.

Um diese Beschränkungen zu überwinden, wird CYGNSS das oberflächennahe Windfeld über dem Ozean mit einem Scatterometer, dem Delay Doppler Mapping Instrument (DDMI) auf der Basis von GPS-Signalen erkunden. Jeder Satellit empfängt direkte GPS-Signale und Signale, die von der Erdoberfläche reflektiert werden. Die direkten Signale bestimmen die Position des Satelliten und geben einen Zeitbezug, wohingegen die reflektierten oder gestreuten Signale Informationen über den Zustand der Ozeanoberfläche liefern. Die Rauigkeit der Meeresoberfläche korrespondiert mit der Windgeschwindigkeit. Die Satelliten messen die Geschwindigkeit des Winds über den Wellengang. Dieser verändert das Reflektions- und Streuverhalten von Radiowellen von der Meeresoberfläche, wobei als Quelle für die Funksignale die GPS-Navigationssatelliten verwendet werden. Dazu wird bei passender Konstellation das von der Meeresoberfläche reflektierte Signal mit dem direkt empfangenen des GPS-Satelliten verglichen, woraus sich dann die Windstärke berechnen lässt. Das Messinstrument kann durch drei Empfänger (zwei für die Meeresoberfläche und einer für den Direktempfang von den GPS-Satelliten) die Signale von vier verschiedenen GPS-Satelliten gleichzeitig und bis zu 32 Messungen pro Sekunde ausführen.

Das DDMI wird Bilder des Windfeldes von Hurikanen in noch nie erreichter temporaler Auflösung erzeugen. Die häufigeren Messungen werden durch den gleichzeitigen Einsatz von acht Satelliten möglich. Die mittlere Wiederholrate (mean revisit time) der Beobachtungen liegt bei sieben Stunden. Im Schnitt soll jeder Punkt zwischen 35° nördlicher und südlicher Breite, in der Wirbelstürme überwiegend auftreten, alle sieben Stunden erfasst werden.

CYGNSS-Konstellation von Kleinsatelliten CYGNSS-Konstellation von Kleinsatelliten

CYGNSS-Konstellation von Kleinsatelliten, mit hervorgehobenen Spiegelreflexionsspuren

Sechs Jahre sind vergangen, seit die CYGNSS-Konstellation gestartet wurde. In dieser Zeit hat sie sich von einer zweijährigen Mission zur Messung der Winde in großen Ozeanstürmen zu einer Mission mit einer breiten und wachsenden Vielfalt von Zielen entwickelt.

Sie reichen von der Frage, wie der Wärmefluss an der Ozeanoberfläche die mesoskalige Konvektion und den Niederschlag beeinflusst, über die Frage, wie unter dichter Vegetation verborgene Feuchtgebiete Methan in der Atmosphäre erzeugen, bis hin zu der Frage, wie die Unterdrückung der Rauheit der Ozeanoberfläche dazu beiträgt, die Schadstoffmenge im Großen Pazifischen Müllteppich (Great Pacific Garbage Patch) zu ermitteln, und wie feuchter Boden unter dichter Vegetation dazu beiträgt, Heuschreckenbrutplätze in Ostafrika zu lokalisieren.

Neben diesen wissenschaftlichen Errungenschaften hat das CYGNSS-Engineering auch gezeigt, was mit einer Konstellation von kleinen, kostengünstigen Satelliten möglich ist.

Quelle: Earth Observatory (NASA)

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