Lexikon der Fernerkundung

Wälder und Fernerkundung

Wälder bedecken ein Drittel der Landfläche der Erde. Walderhalt und nachhaltige Waldbewirtschaftung sind Ziel einer Reihe von internationalen Vereinbarungen. Viele dieser Vereinbarungen haben einen ökonomischen Bezug.

Gleichzeitig sind Wälder komplexe Ökosysteme und gelten als Biodiversitäts-Hotspots. Sie speichern große Mengen an Kohlenstoff in ihrer ober- und unterirdischen Biomasse, ihre Stabilität ist ein wichtiger Faktor im Klimaschutz, und sie bieten der lokalen und globalen Bevölkerung mit ihrer Multifunktionalität verschiedenste Dienstleistungen. Die Intensivierung der Landnutzung und eine nicht nachhaltige Forstwirtschaft tragen jedoch weltweit zu erheblichen Schäden der Waldökosysteme bei und steigern Treibhausgasemissionen. Wälder müssen daher sorgfältig überwacht werden, um z. B. die Emissionen aus Entwaldung und Walddegradierung zu reduzieren und den Schutz der Waldressourcen zu gewährleisten.

Traditionelles Waldmonitoring

Traditionell erfolgt die Beurteilung des Waldzustands in situ vom Boden aus. Zum Beispiel beruht in Deutschland die Waldschadensaufnahme auf der Beurteilung des Kronenzustandes als Kriterium für die Vitalität von Waldbäumen. Die Vitalität von Bäumen steht in enger Beziehung zu Dichte und Farbe der Belaubung bzw. Benadelung. Ein organisatorischer Rahmen ist dabei die Bundeswaldinventur (BWI) als terrestrische Großrauminventur auf Stichprobenbasis. Die Probepunkte sind in einem systematischen Raster über ganz Deutschland verteilt.

Neben den überkommenen, auf die Nutzung des nachwachsenden Rohstoffs Holz ausgerichteten Größen, gewinnen zunehmend ökologische Kennwerte an Bedeutung, anhand derer die Waldentwicklung auch unter Gesichtspunkten des Naturschutzes und der Erhaltung natürlicher Lebensräume bewertet werden kann. Die BWI stellt außerdem eine wichtige Datenbasis für die Erfüllung nationaler Berichtspflichten im Rahmen internationaler Abkommen dar (z. B. Kyoto-Protokoll, Konvention über biologische Diversität).

Multi-Methodenansatz beim Waldmonitoring Multi-Methodenansatz beim Waldmonitoring

Verknüpfung verschiedener Ansätze (drahtlose Hochfrequenz-Sensornetzwerke bis hin zu weltraumgestützten Satelliten) mit angemesener Überwachungsfrequenz, Sensoren und verschiedenen Fernerkundungsplattformen, um die Waldgesundheit mit Fernerkundungstechniken besser zu beschreiben, zu erklären, vorherzusagen und zu verstehen sowie die Kalibrierung und Validierung von Fernerkundungsdaten zu verbessern

Quelle: MDPI

 

Fernerkundungsgestütztes Waldmonitoring

Um räumlich genaue Informationen über Waldgebiete zu erhalten, wird das terrestrische Waldmonitoring durch die Fernerkundung mit Satelliten- oder Luftbildern erweitert und unterstützt. Dies gilt besonders immer dann, wenn für die Erfassung des Waldzustandes aktuellste Informationen benötigt werden, die in so großer Ausdehnung oft nur schwer in situ erfasst werden können.

Für die Ansprache von Vegetation mit Methoden der Fernerkundung ist der sichtbare spektrale Bereich ebenso wichtig wie das nahe (NIR) und kurzwellige Infrarot. Vor allem im roten und blauen Licht wird ein Großteil durch Chlorophyll absorbiert. Im NIR dagegen reflektieren gesunde Pflanzen stark. Die charakteristischen Reflexionseigenschaften von Vegetation kann man sich beim Waldmonitoring zu Nutze machen.

Neben Gesundheitszustand und Wuchs lassen sich aus Satelliten- oder Luftbildern zudem forstlich relevante Variablen abschätzen wie z.B.: Waldtypen und Baumarten, Baumhöhen, Bestandesdichten bzw. Anzahl Bäume pro Hektar (n/ha), Bestandesgrundflächen (m²) und Holz-Volumen (m³), Kohlenstoffvorrat.

Der Blick von oben auf den Wald ist an sich nichts Neues. Schon seit Jahrzehnten kommen flugzeug-, helikopter- oder satellitengestützte Luftbilder für Waldinventuren zum Einsatz. Diese liefern großflächiges Bildmaterial, sind teilweise aber verhältnismäßig teuer. Gerade für Privatwaldbesitzer sind deshalb aufwändige Luftbilder für das Waldmonitoring unattraktiv. Sogenannte UAS-Systeme, also unbemannte Luftfahrzeuge (ugs. Drohnen), stellen eine kostengünstige Alternative dar. Solche Drohnen bzw. ferngesteuerten kleinen Flugobjekte mit digitalen Kameras sind heute bereits tauglich für die forstliche Praxis. Die Fluggeräte werden unter anderem bei Kleinflächeninventuren (< 5 ha) oder zur gezielten Aufnahme von Kalamitäts- und Schadflächen eingesetzt. Ausgerüstet mit einer Wärmebildkamera sind sie auch für die Aufspürung von Brandherden geeignet. Ferner können sie dreidimensionale Waldstrukturen oder das Volumen von Holzpoltern erfassen. Hier zeigt sich die hohe Flexibilität der Aufnahmemöglichkeiten und der Möglichkeiten der Aufnahme von Zeitserien der Drohnentechnik, wobei das Fluggerät ja nur die Plattform für verschiedenste Sensoren darstellt.

Luftbildbefliegungen werden flächendeckend durch die Landesvermessungsverwaltungen in einem Wiederholungszyklus von wenigen Jahren durchgeführt. Das stellt einen Vorteil gegenüber der Alternative von Laserscanner-Messungen (LiDAR), die bisher nur einmalig oder seltener erfolgten, als Grundlage für die Gewinnung von Oberflächenmodellen dar. Allerdings haben Laserscanner-Messungen den Vorteil, dass man mit ihnen gleichzeitig auch digitale Geländemodelle (DGM) erstellen kann.

Der Einsatz von Fernerkundung in der Forstwirtschaft bietet viele weitere Möglichkeiten, um bestehende Aufgaben zu unterstützten und detaillierte Informationen zeitnah zu liefern. Sie eröffnet dadurch Perspektiven für neue Aufgaben. Die Fernerkundung kann insbesondere das Monitoring in den Bereichen Waldinventur und -ökologie, Forsteinrichtung und -schutz, Genetik und Naturschutz unterstützen. Bei der Auswertung der Fernerkundungsdaten spielen terrestrisch erhobene Daten eine zentrale Rolle als Trainings- und Validierungsdaten. Für den Einsatz und die Anwendung der Fernerkundung besteht allerdings noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

Aus Fernerkundungsdaten werden ferner digitale Landbedeckungsmodelle, digitale Geländemodelle und digitale Oberflächenmodelle hergeleitet. Aus diesen Daten können Vegetationshöhenmodelle generiert werden, die insbesondere für Auswertungen im Wald wertvolle Informationen liefern, aber auch zur Unterstützung von Landnutzungsklassifizierungen dienen. Auf Grundlage der Vegetationshöhenmodelle können Informationen für einzelne Bäume und Bestände generiert werden. Die Kombination dieser Daten mit terrestrischen Inventurdaten ermöglicht es, Karten zu Holzvorräten und Biomasse herzuleiten.

Diese neuen Anwendungsgebiete werden u. a. durch technische Fortschritte im Bereich der Photogrammetrie, wie qualitativ hochwertige und hochaufgelöste digitale Luftbilder, innovative Auswertungsalgorithmen sowie leistungsstärkere Hardware eröffnet und die Ableitung von neuen Produkten aus Luftbilddaten ermöglicht. Hierzu zählt die Berechnung von hochaufgelösten, digitalen Oberflächenmodellen DOM) aus Stereo-Luftbildern über automatisierte Verfahren der Bildkorrelation (Image Matching), die dadurch mittlerweile eine Alternative zur flugzeuggestützten Laserscanner-Messung geworden sind.

Ein Forschungsgebiet der Fernerkundung in der Forstwirtschaft ist die Erfassung von Waldflächen. Fernerkundungssensoren bilden in aller Regel die Landbedeckungsform ab, z. B. mit Bäumen bewachsene Flächen. Daraus wird unter Verwendung der geltenden Walddefinition und einer geeigneten Methodik eine Waldkarte erzeugt, aus der die Waldfläche abgleitet werden kann. Ebenso können Lücken im Bestand und der Überschirmungsgrad ausgewiesen werden. Ein aktuelles Forschungsthema ist die Baumartenerkennung. Dabei stehen die Ausweisung von Laub- und Nadelholzflächen und die Klassifizierung ausgewählter Baumarten im Fokus verschiedener Studien und Pilotprojekte.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Fernerkundung ist die Erkennung von Strukturen im Wald. Die hohe zeitliche Frequenz von Fernerkundungsaufnahmen ermöglicht Veränderungsanalysen. Damit können neue Waldflächen und Umwandlungen von Wald in andere Landnutzungsklassen erkannt werden. Schwierig sind die Trennung von Hiebsmaßnahmen im Wald und Waldumwandlungsflächen sowie die Entdeckung neuer Waldflächen, wenn die Bäume im Fernerkundungsmedium aufgrund ihrer geringen Höhe noch nicht erkannt werden können. Dann bedarf es weiterhin terrestrischer Informationen.

Neben der Anwendung von Fernerkundungsdaten zur Erfassung des Waldzustandes werden diese zunehmend zur Aufnahme und Bewertung von biotischen und abiotischen Schäden verwendet. Aufgrund der schnellen Verfügbarkeit dieser Daten können sie zur Detektion von Windwurfflächen oder anderen Kalamitätsflächen genutzt werden. Zudem können diese Informationen dazu dienen, die Aufarbeitung betroffener Flächen zu unterstützen. Daneben gibt es Studien zur Beurteilung der Vitalität von Waldbeständen, um beispielsweise die Auswirkungen von Trockenstress zu untersuchen.

In der Forstlichen Versuchs-​ und Forschungsanstalt Baden-​Württemberg (FVA) werden Methoden entwickelt für die Forstinventuren, Baumarten- und Schadenserkennung. Der Schwerpunkt der Eingangsdaten sind die Stereo-Luftbilder der Befliegungen des LGL-BW. Sie werden mit drohnenbasierten Aufnahmen, Eigenbefliegungen und Satellitendaten ergänzt. Insbesondere die kostenlosen Satellitendaten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus mit ihrer hohen zeitlichen Auflösung werden intensiv eingesetzt. Verschiedene Spektralbereiche der Programm-eigenen Sentinel-Satelliten werden dabei verwendet. Ferner kommen auch Lidardaten zum Einsatz.  Durch die extrem hohe räumliche Auflösung von LIDAR (flugzeuggetragen) können sehr detaillierte 3D-Strukturen von Objekten erstellt werden.

Das UBA (2019) eruierte in einer Studie am Beispiel der Baumartenerkennung, das Potenzial der Satellitenfernerkundung mit Hilfe der hochauflösenden und entgeltfreien Daten des Copernicus-Programmes und seiner leistungsfähigen Erdbeobachtungsinfrastruktur. Hierfür sind vor allem Daten des Satellitensystems Sentinel-2 von Interesse.

Zwischen 2014 und 2018 konnten bereits sieben Satelliten aus dem Programm gestartet werden. Diese sind die zwei identischen Radarsatelliten Sentinel-1A und 1B, sowie zwei identische multispektrale Satelliten Sentinel-2A und 2B. Hinzu kommt Sentinel-3A und 3B zur grob aufgelösten Beobachtung von Land- und Ozeanfarben und deren Temperaturen sowie Sentinel-5P zur Erfassung von Spurenstoffen in der Atmosphäre. Da Sentinel-2A und 2B als sogenannte Zwillingsmission betrieben wird, wird jeder Punkt der Erde mindestens einmal alle fünf Tage erfasst. Sentinel-2 Daten liegen je nach Spektralkanal in 10 m bzw. 20 m räumlicher Auflösung vor.

Zusätzlich sind für die Atmosphärenkorrektur und Wolkenerfassung drei Spektralkanäle mit einer räumlichen Auflösung von 60 m vorhanden. Neben Sentinel-2 steht mit Landsat-8 der NASA, ein weiteres optisches, frei zugängliches Satellitenaufnahmesystem zur Verfügung. Mit Hilfe des Landsat Programms wird die Erdoberfläche seit einigen Jahrzehnten systematisch aufgezeichnet. Dadurch lassen sich Zeitserien ableiten, die für die Klassifikation von Baumarten potentiell nutzbar sind. Für eine gemeinsame Auswertung von Landsat-8 und Sentinel-2 Daten spricht die hohe Korrelation der Spektralkanäle beider Satelliten. Neben diesen mittel-aufgelösten, jedoch global zur Verfügung stehenden Daten, sind vor allem räumlich höher aufgelöste Satellitendaten für die Baumartenklassifikation relevant. Diese Satelliten werden jedoch kommerziell betrieben.

Trotz qualitativ hochwertigen Multispektraldaten lassen sich erfahrungsgemäß nicht alle Baumarten zu jedem Zeitpunkt zufriedenstellend im Bild voneinander trennen. Aus diesem Grund ist neben einer ausreichenden spektralen und räumlichen Auflösung, auch die temporale Auflösung wichtig. Je nach zeitlicher Auflösung lassen sich durch multi-temporale Datensätze dynamische Prozesse abbilden und in der Klassifikation berücksichtigen. Intra-annuelle Zeitserien bieten gute Rückschlüsse auf die Dynamiken der Landbedeckung und können sogar phänologische Prozesse erfassen, wodurch detaillierte Klassenunterscheidungen möglich sind. Mit der Sentinel-2A/-2B Zwillingsmission steht eine bislang unerreichte Informationsfülle zur Verfügung, um auch schwierig zu unterscheidende Baumarten korrekt klassifizieren zu können und die Qualität von Landbedeckungsklassifikationen wesentlich zu verbessern. Idealerweise sollten rund 10 Szenen, gut über das Jahr verteilt, für die Klassifikation zur Verfügung stehen. Forstinventurdaten stellen dabei aufgrund ihrer Details ideale Referenzdaten dar.

Geographische Informationssysteme sind bei allen Schritten der Waldzustandserhebung und der Fernerkundung im Wald ein unverzichtbares Werkzeug. Mit ihrer Hilfe lassen sich große Sammlungen von Bildern und Raster-Datasets mit anderen teilen. Zusätzlich lassen sich mit speziellen Apps für die Verarbeitung von Daten unbemannter Luftfahrzeuge (Drohnen) unter anderem 3D-Punktwolken oder hochgenaue Orthomosaike und digitale Geländemodelle erstellen.

Dieses breite Methodenspektrum ermöglicht eine spezifische Erfassung der Waldbestände je nach Fragestellung.

Der globale Maßstab

Zur Feststellung von Waldflächenbilanzen einzelner Länder auf globaler Ebene wird in der Regel auf die Daten der FAO zurückgegriffen. Sie führt seit 1946 Länderbefragungen zur Bewertung der Waldressourcen (Global Forest Resources Assessment - FRA) durch. Die letzte FRA 2015 erfuhr allerdings deutliche Kritik, da sie das Ausmaß der weltweiten Entwaldung aus unterschiedlichen Gründen deutlich unterschätzte:

Unabhängig von der Waldstatistik der FAO kommt das weltweite Monitoring der Wälder mittels Satellitenbilder zu abweichenden Ergebnissen. So ermittelten Hansen et al. (2013)9 im Durchschnitt der Jahre 2000 bis 2012 einen weltweiten Waldverlust von 19 Mio. Hektar pro Jahr, der durch eine Zunahme von 6,7 Mio. Hektar pro Jahr nur zu einem kleineren Teil kompensiert wurde und damit dreimal so hoch liegt als die der FAO von den Staaten gemeldeten Zahlen. Für die Tropen ermittelten die Satellitenbildexperten im Gegensatz zur FAO außerdem eine zunehmende Entwaldung [...]" (Waldbericht der Bundesregierung 2017)

Die FAO hat dies erkannt und eine internationale Expertengruppe zum besseren Abgleich terrestrischer Waldinventurmethoden mit Satellitenbildern eingerichtet. Daraus wird die Bedeutung eines globalen Satellitenbildmonitorings mehr als deutlich.

Regionenbezogener Waldverlust nach Verursachern für den Zeitraum 2001-2015 Regionenbezogener Waldverlust nach Verursachern für den Zeitraum 2001-2015

Gemeinsam mit dem Sustainability Consortium und der University of Maryland hat Global Forest Watch Tausende von Satellitenbildern in Google Earth visuell interpretiert, um zu ermitteln, was die Waldzerstörung auf der ganzen Welt verursacht hat. Mit diesen Informationen hat GFW ein Computermodell trainiert, um die wahrscheinlichsten Ursachen für den Verlust von Baumbestand zu bestimmen, der zwischen 2001 und 2015 weltweit festgestellt wurde. Die interaktive Karte ist bei Global Forest Watch verfügbar.

Sie zeigt fünf Ursachen für den Verlust von Baumbestand. Dies sind insbesondere rohstoffgetriebe Entwaldung („commodity-driven deforestation“), Landwirtschaft mit Flächenwechsel („shifting agriculture“), Waldbewirtschaftung („forestry“), Waldbrand („wildfire“) und Städtebau („urbanization“)

Das Verständnis der Auswirkungen jedes dieser Faktoren trägt dazu bei, mehr Einblick in den Status der globalen Wälder zu gewinnen.

Quelle: Global Forest Watch 2018

 

Jährlich werden etwa 8,8 Mio. Hektar Naturwald – hauptsächlich Tropenwald – zerstört, dies entspricht mehr als die Fläche von Niedersachsen und Baden-Württemberg zusammen. Die Hauptursachen der Tropenwaldzerstörung sind eine nicht nachhaltige Waldbewirtschaftung sowie die Umwandlung in andere Landnutzungsformen. Die Bewirtschaftung, Erhaltung und nachhaltige Entwicklung der Tropenwälder ist eine zentrale Herausforderung der internationalen Staatengemeinschaft. Gerade die Ärmsten sind oft von Wäldern als Lieferanten für Nahrung, Medikamente, Baumaterial und Energie direkt abhängig. Die internationale Forstpolitik benötigt wissenschaftlich abgesicherte Informationen, um Anreize für eine nachhaltige Waldbewirtschaftung zu beschließen.

Im globalen Maßstab dokumentieren Raumfahrtagenturen wie ESA (z. B. Deforestation in Bolivia), NASA (z. B. Tracking Amazon Deforestation from Above) oder DLR mit ihren unterschiedlichsten Satellitentechnologien, wie auch NGOs (z. B. WWF) bei ihrem an Naturschutz und sozialer Gerechtigkeit ausgerichteten Engagement die vielfachen Eingriffe in die Waldökosysteme vor allem in den Tropen und Subtropen. Große Satellitenbetreiber und Bildanbieter wie Maxar, Planet (z. B. A Turning Point in Tropical Forest Monitoring), Airbus D&S u. w. haben entsprechendes Bildmaterial in ihrem Portfolio. Daneben sind auch mittelständische Dienstleister wie Remote Sensing Solutions (RSS) in diesem Bereich aktiv.

Illegale Abholzung auf der Plantage Cacao del Peru Norte in Tamshiyacu, Loreto, Peru Illegale Abholzung auf der Plantage Cacao del Peru Norte in Tamshiyacu, Loreto, Peru

Drei riesige Agrobusiness-Projekte im peruanischen Amazonasgebiet, die alle mit derselben Unternehmensgruppe zusammenhängen, wurden von den Regierungsbehörden des Landes angewiesen, den Betrieb einzustellen. Zusammen sind die Projekte, die gemeinsam von Cacao del Perú Norte S.A.C. (betreibt eine Kakaoplantage in Loreto), Plantaciones de Ucayali S.A.C. und Plantaciones de Pucallpa S.A.C. (betreiben beide Ölpalmenplantagen in Ucayali) entwickelt werden, für mehr als 11.000 Hektar illegale Entwaldung, hauptsächlich des primären tropischen Regenwaldes, verantwortlich.

Quelle: EIA (2016)

 

RSS verwendet eine breite Palette modernster Satelliten-, Flugzeug- und Drohnengetragener Sensortechnologien, um die aussagekräftigsten Geodaten zu generieren und um belastbare Informationen über die globalen Wälder zu liefern. Für die raum-zeitliche Datenanalyse nutzt die Firma Geographische Informationssysteme (GIS) und Algorithmen des maschinellen Lernens zur Automatisierung von großen Datenmengen. Diese Dienstleistungen umfassen unter anderem Monitoring, Reporting und Verifizierung (MRV) im Rahmen des REDD+ Kontexts, Biomasseabschätzungen sowie CO2-Bilanzierungen. RSS ist auch spezialisiert auf die Kartierung von Waldtypen und Waldschäden.

Für eine der wichtigsten Ursachen für Entwaldung in den Tropen – die Ausweitung der Landwirtschaft, die u. a. von der globalen Nachfrage beeinflusst ist– konnte die politische Aufmerksamkeit hierfür weltweit inzwischen deutlich verstärkt werden. Dies wird u.a. durch die von der Bundesregierung geförderte Umsetzung der New Yorker Walderklärung sowie im Rahmen der Absprachen der Amsterdam-Partnerschaft in Europa erreicht. Auch die EU-Kommission konnte insbesondere durch letztere zum Handeln gedrängt werden und hat am 23. Juli 2019 eine Mitteilung zu EU-Maßnahmen gegen die Entwaldung veröffentlicht.

Globale TanDEM-X-Waldkarte des DLR

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat einen besonderen Datensatz erstellt, um den aktuellen Zustand sowie die Entwicklungen des "grünen Organs" genau beobachten, bewerten und schützen zu können: die globale TanDEM-X-Waldkarte. Dazu wurden interferometrische Daten genutzt, die für das globale Höhenmodell der deutschen Radarsatellitenmission TanDEM-X aufgenommen wurden, und Algorithmen aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz zur globalen Datenverarbeitung entwickelt. Diese wurden für verschiedene Waldtypen anhand von Baumhöhen, Dichte und Struktur optimiert. Das Ergebnis ist eine Karte, die bei einer Auflösung von 50 Metern die Ausdehnung bewaldeter Flächen darstellt.

Radarsatelliten können unabhängig von Wetter oder Tageszeit Aufnahmen erstellen – ein besonderer Vorteil bei der Kartierung von tropischen Wäldern, die meist von Wolken bedeckt sind. 

Globale TanDEM-X-Waldkarte Globale TanDEM-X-Waldkarte
  • Globale TanDEM-X-Waldkarte mit 50m Auflösung für Wissenschaft frei verfügbar
  • Beobachtung, Bewertung und Schutz des weltweiten Waldbestands
  • Zusammenspiel von interferometrischen Daten des globalen TanDEM-X-Höhenmodell und intelligenten Algorithmen zur Datenverarbeitung

Quelle: DLR

 

Die TanDEM-X-Waldkarte schließt bisherige Datenlücken und liefert erstmals einen einheitlichen Überblick der Regenwälder in Südamerika, Südostasien und Afrika. Die Erkenntnisse sind für Behörden und Wissenschaftler gleichermaßen bedeutsam, da diese Gebiete vor illegaler Abholzung geschützt und als mächtige Kohlenstoff-Speicher erhalten werden müssen.

Anhand der neuen Karte lässt sich entsprechend auch die Biomasse-Konzentration von Wäldern genauer bestimmen – ein Schlüsselfaktor im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die globale TanDEM-X-Waldkarte schafft damit eine wichtige Datengrundlage für Forschungen zum globalen Wandel und bietet darüber hinaus auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Regionalentwicklung sowie der Raumplanung. In Hinblick auf die gesellschaftlichen Herausforderungen des globalen Wandels lassen sich schließlich auch genauere Vorhersagen und geeignete Maßnahmen ableiten.

Weitere Informationen:

WALES

Engl. Akronym für Water Vapour Lidar Experiment in Space; Mission der ESA, die genaue Vertikalprofile über den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre liefern wird. Die Daten werden von einem differentiellen Absorptionslidar an Bord eines Satelliten auf sonnensynchroner Umlaufbahn aufgenommen.

Wallops Flight Facility

Die Wallops Flight Facility, auch Mid-Atlantic Regional Spaceport (MARS) oder Wallops Island, benannt nach dem ersten Eigentümer der Insel John Wallop, ist, neben der Cape Canaveral Air Force Station und der Vandenberg Air Force Base, einer der ältesten Raketenstartplätze der Welt. Der auf der Insel Wallops Island, Virginia gelegene Startplatz der NASA ist eine Außenstelle des Goddard Space Flight Centers.
Von hier werden Starts mit einer Bahnneigung zwischen 37 Grad und 70 Grad durchgeführt. Die Wallops Flight Facility war außerdem ein Notlandeplatz des Space Shuttle.
Heute dient Wallops Island als Raketenstartplatz für Höhenforschungsraketen und dem gelegentlichen Start kleinerer Satelliten. Für Satellitenstarts kam in den Jahren 1960 bis 1994 die Scout-Rakete zum Einsatz. Seither wurde ein Exemplar der Conestoga-Rakete sowie einige Pegasus-Raketen für orbitale Starts eingesetzt.
Ende April 2007 startete der militärische Satellit NFIRE und im September 2009 der Satellit TacSat-3, beide mit dem Raketentyp Minotaur-1. Im September 2013 wurde von Wallops die Mondsonde LADEE mit einer Minotaur-V-Rakete gestartet.

Weitere Informationen:

Wärmestrahlung

Syn. Thermalstrahlung; Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die von jedem Körper ausgesendet wird. Sie umfasst im elektromagnetischen Spektrum die UV-Strahlung, das sichtbare Licht und die Infrarot-Strahlung. Die zugehörigen Wellenlängen liegen also etwa im Bereich von 1nm – 100 µm. Einige Autoren setzen die Wärmestrahlung mit Infrarotstrahlung gleich, bzw. mit Infrarotstrahlung und sichtbarem Licht.
Thermal- und Mikrowellenstrahlung spielen in der Geofernerkundung eine besondere Rolle, da ihre Ausbildung auf andere Eigenschaften der Oberflächenmaterialien zurückzuführen sind. Thermalstrahlung wird von Objekten emittiert und ist somit ein Maß der Oberflächentemperatur. Man spricht analog zum Reflexionsgrad von einem Emissionsgrad. Dieser ist materialspezifisch (Wärmekapazität) und kann ggf. zur Differenzierung von Objekten genutzt werden.
Wichtiger ist in der praktischen Fernerkundung die Lokalisierung von künstlichen oder natürlichen Wärmequellen (z.B. aktive Vulkane, Kühlwassereinleiter von Kraftwerken und Industrieanlagen). Zu diesem Zweck werden oft Nachtaufnahmen analysiert, da hier der Einfluss von erwärmender Sonneneinstrahlung ausgeschlossen werden kann. Die Auswertung von Thermaldaten gilt als schwieriges Unterfangen, da die nötige absolute Temperaturkallibrierung oft nur unzureichend möglich ist.

Wasserdampffenster

Bezeichnung für Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, (3-5 µm, 8-11 µm, teilweise bis 20 µm) in denen das Treibhausgas "Wasserdampf" nur geringe Absorptionswirkung besitzt und so die terrestrische Ausstrahlung (bei wolkenfreier Atmosphäre) in das Weltall ermöglicht.

Wasserkreislauf und Fernerkundung

Der Wasserkreislauf ist der wichtigste physikalische Mechanismus, der die Existenz von Leben auf der Erde gewährleistet. Seine Komponenten umfassen die Atmosphäre, das Land und die Ozeane. Der Kreislauf setzt sich zusammen aus Verdunstung, Evapotranspiration, Sublimation, Wasserdampftransport, Kondensation, Niederschlag, Abfluss, Infiltration und Versickerung, Grundwasserfluss und Wasseraufnahme durch Pflanzen. Für eine korrekte Beurteilung des globalen Wasserkreislaufs sind Beobachtungen all dieser Prozesse mit einer globalen Perspektive erforderlich. Insbesondere der Niederschlag erfordert eine kontinuierliche Überwachung, da er die wichtigste Komponente des Kreislaufs ist, vor allem unter sich ändernden klimatischen Bedingungen.

Globales Beobachtungssystem des Wasserkreislaufs Globales Beobachtungssystem des Wasserkreislaufs

Passive und aktive Sensoren an Bord von Wetter- und Umweltsatelliten stellen zusammen mit anderen Beobachtungssystemen einigermaßen vollständige Daten zur Verfügung, die eine bessere Messung des Niederschlags vom Weltraum aus ermöglichen, um unser Verständnis der Beschleunigung/Verzögerung des Kreislaufs unter aktuellen und prognostizierten Klimabedingungen zu verbessern.Quelle: Remote Sens. 2019, 11(19)

 

Die Untersuchung der verschiedenen Klimaprozesse erfordert die Implementierung und Aufrechterhaltung eines komplexen Beobachtungssystems mit boden-, luft- und raumgestützten Komponenten. Die meisten Sensoren sind bereits für die Meteorologie, Hydrologie und Klimatologie vorhanden, wie das Programm "Observing Systems Capability Analysis and Review" (OSCAR, https://www.wmo-sat.info/oscar/) der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) dokumentiert, das die Anforderungen für die Beobachtung physikalischer Variablen definiert. Das Globale Klima-Beobachtungssystem (GCOS, https://gcos.wmo.int/en/home) verwaltet die Definitionen und den Beobachtungsbedarf der wesentlichen Klimavariablen (ECVs), die für die systematische Beobachtung des sich ändernden Erdklimas erforderlich sind. Bodengestützte Beobachtungen erzeugen Datensätze zur Abschätzung von Veränderungen im Wasserkreislauf und zur Ableitung von Trends, aber dies geschieht nur in begrenzten Gebieten der Welt, wo die Beobachtungsnetzwerke dicht genug sind und angemessene Qualitätsstandards gewährleistet werden.

WCRP

Siehe World Climate Research Programme

WDC-RSAT

Siehe World Data Center for Remote Sensing of the Atmosphere

Weitbereichsuchsystem

Engl. broad area search system; bei Aufklärungssatelliten ein Bauprinzip, bei dem mit jedem Umlauf Bilder oder andere Aufklärungsdaten von einer breiten Bodenspur unter dem Satelliten erfasst werden. Alle Teile der Bodenspur werden untersucht, aber es gibt keine Bereiche mit höherer Auflösung. Ergänzende Detailuntersuchungen von dabei aufgefundenen Objekten können dann mit anderen Systemen durchgeführt werden.

Wellenlänge und Frequenz

Die elektromagnetische Strahlung transportiert Energie in Wellenform mit einer Geschwindigkeit von c = 299.792 km/sek. Die Strahlung kann durch ihre Wellenlänge und Frequenz beschrieben werden.
Als Wellenlänge bezeichnet man den Abstand zwischen jeweils zwei Wellenbergen. Diese Länge kann in Metern, Nanometern, Mikrometern, oder wie in der Grafik unten auch in Ångström (Å) angegeben werden.
Das gesamte elektromagnetische Spektrum besitzt Wellenlängen zwischen Milliardstel Meter (Gammastrahlen) und einigen Metern (manche Radiowellen).

Als Stellvertreter für "Wellenlänge" wird oft λ verwendet. Der Kehrwert 1/λ wird als "Frequenz" (oft ν oder f) bezeichnet. Die Frequenz gibt an, wieviele Wellenberge einer sich fortbewegenden Welle pro Sekunde an einem festen Ort durchgehen. Die verwendete Einheit ist "pro Sekunde" (s-1). Im elektromagnetischen Spektrum reichen die Frequenzen von weniger als 1 Milliarde Wellen pro Sekunde (Radiowellen) bis zu über 3 Milliarden Wellen pro Sekunde (Gammastrahlen). Die Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen, dies entspricht einem Wellendurchgang in einer Sekunde.
Wellenlänge und Frequenz stehen in einem Zusammenhang, ausgedrückt in folgender Formel:

formula_frequency_waves

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, also jene Geschwindigkeit, mit der sich Licht im Vakuum fortbewegt (= 2.998·108 m/s). Je kürzer die Wellenlänge um so kürzer ist die Frequenz. Je länger die Wellenlänge um so höher ist die Frequenz.

Variationen der Wellenlänge in verschiedenen Spektralbereichen

Die Wellenlänge beschreibt einen Wellendurchgang und kann als die Länge zwischen drei Nulldurchgängen oder den Abstand zwischen zwei Wellenbergen beschrieben werden.

Die Wellenlänge wird in Meter (m) oder in Teileinheiten z.B. Nanometer (nm, 10-9m), Mikrometer (μm, 10-6m), Zentimeter (cm, 10-2m) oder in Ångström gemessen.

Die Frequenz beschreibt die Anzahl der Wellendurchgänge durch einen bestimmten Punkt der Ausbreitungsachse in einer definierten Zeit. Die Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen, dies entspricht einem Wellendurchgang in einer Sekunde.Quelle: SRF Meteo

 

Strahlung wird beschrieben durch ihre Wellenlängen bzw. durch ihre Frequenz. Und auch Schall ist nichts anderes als eine Welle.

Weltraumbahnhof

Startanlage für Trägerraketen, die Weltraummissionen starten können. Dabei kann es sich um unbemannte Satelliten- oder Raumsondenstarts oder bemannte Raumflüge handeln. In Russland und China ist auch der Begriff Kosmodrom geläufig, Weltraumbahnhöfe werden derzeit von einzelnen Weltraumnationen oder Staatenorganisationen (wie der ESA) unterhalten.

Die Kriterien für den Standort eines Weltraumbahnhofs sind vielfältig. Er sollte an einem geologisch stabilen Ort gebaut werden, der zudem von größeren und häufigen Unwettern verschont wird, da Raketenstarts bei Regen oder Sturm meist abgesagt werden müssen. Zudem sollte der Startplatz möglich nahe am Äquator liegen. Dies hat mit der Erdrotation zu tun: Unser Heimatplanet dreht sich an verschiedenen Orten unterschiedlich schnell: Während sich die Erde im Zentrum des Nordpols gar nicht dreht, ist die Rotation am Äquator mit etwa 1630 km/h maximal. Dort hat die Rakete bereits die höchste Grundgeschwindigkeit und muss bei einem Start nach Osten weniger beschleunigen, um insgesamt auf die gleiche Geschwindigkeit zu kommen. Zudem erleichtert die Lage das Erreichen der gebräuchlichsten Umlaufbahnen. Je mehr die Rakete von dieser Ideallinie in Richtung Süden oder Norden abweicht, desto weniger "Gratis-Energie" der Erde kann sie beim Start nutzen.

Ein Weltraumbahnhof sollte sich in einem politisch stabilen Staat befinden, da sein Aufbau mit großen Investitionen verbunden ist. Er sollte abseits von dicht besiedeltem Gebiet liegen und in östlicher Richtung einen Ozean oder ein sehr dünn besiedeltes Gebiet haben. Denn alle Raketenstarts für äquatorparallele Umlaufbahnen ihrer Nutzlast erfolgen mit der Erdrotation (aus oben genanntem Grunde) in östlicher Richtung. Wenn es zu einem Fehlstart kommt, könnten Menschen durch niederstürzende Trümmer und Treibstoffe gefährdet werden. Schließlich sollten genügend Erweiterungsflächen verfügbar sein.

Beispiel: Russische Kosmodrome
Nicht alle gebauten Weltraumbahnhöfe genügen diesen Kriterien. Besonders die russischen Kosmodrome sind durch ihre sehr weit nördliche Lage benachteiligt, da für orbitale Manöver zur Zielumlaufbahn mehr Treibstoff aufgewendet werden muss.

Beispiel: Kourou
Der europäische Weltraumbahnhof Kourou besitzt von ähnlichen Einrichtungen weltweit die günstigste Lage. Er liegt im französischen Übersee-Departement Französisch-Guayana im Norden Südamerikas (politisch stabil) und liegt sehr dicht am Äquator (günstige Starteigenschaften). Die Region ist sehr dünn besiedelt und grenzt im Nordosten an den Atlantik (geringe Gefährdung für Menschen). Da der Weltraumbahnhof direkt an ein ausgedehntes Waldgebiet grenzt, ist auch sein Ausbau problemlos möglich. Zudem besteht kein Wirbelsturm- oder Erdbebenrisiko.

Karte der Weltraumbahnhöfe Karte der Weltraumbahnhöfe

Quelle: Wikipedia - neuere Karte hier klicken

Liste der Weltraumbahnhöfe (Name, Standort, z.T. Betreiber)

Weltraumlageerfassung

Deutsche Übersetzung für den offziell englischen Namen eines Programms der europäischen Weltraumbehörde ESA zur Überwachung des Weltraums (Space Situational Awareness, SSA). Mit dem Programm soll unter anderem ein Netzwerk für Europa implementiert werden, das unabhängig von Daten des analogen US-Programms Space Surveillance System ist.

Das Programm umfasst drei Hauptarbeitsgebiete:

  • Das Auffinden und die Bahnverfolgung künstlicher Objekte, die die Erde umkreisen (aktive Satelliten und Weltraumschrott).
  • Die Überwachung der aus den Tiefen des Alls und der Sonne kommenden hochenergetischen Strahlungen, die für zahlreiche Weltraumwetterphänomene verantwortlich sind.
  • Die Beobachtung von erdnahen Objekten, „Near Earth Objects“ – von Asteroiden, Meteoriten und Kometen – die mit der Erde kollidieren könnten.
PIA17041_lres Orbits von potentiell gefährlichen Asteroiden

(Potentially Hazardous Asteroids, PHAs)

Diese Grafik zeigt die Orbits aller bekannten potentiell gefährlichen Asteroiden (PHAs), deren Zahl man auf über 1400 (Stand Anfang 2013) beziffert. Sie werden als gefährlich eingestuft, weil sie ziemlich groß sind (mind. 140 m im Durchmesser), und weil sie Bahnen folgen, die nahe des Erdorbits verlaufen, d.h. mit weniger als 7,5 Mio km Abstand. Die Klassifizierung als PHA bedeutet aber noch nicht, dass ein Asteroid notwendigerweise mit der Erde kollidiert: Keines dieser Objekte ist während der kommenden 100 Jahre eine Bedrohung.
Durch die fortgesetzte Beobachtung dieser Asteroiden können ihre Orbits genauer bestimmt werden, sowie präzisere Vorhersagen über ihre künftigen Annäherungen und Impaktwahrscheinlichkeiten gemacht werden

Quelle: NASA

 

Das Hauptziel von Space Situational Awareness ist die Schaffung eigener leistungsfähiger Überwachungskapazitäten, um Europas Zugang zum Weltraum und die Sicherheit seiner Satelliten zu gewährleisten. Denn noch ist Europa bei der Beschaffung wichtiger Daten von Institutionen anderer Länder abhängig. Das trifft vor allem auf die Überwachung des Weltraumschrotts zu. Hier müssen die europäischen Experten hauptsächlich auf Daten des amerikanischen Space Surveillance Network zugreifen.

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Das SSA-Programm ermöglicht es Europa, Gefahren für wichtige Weltrauminfrastrukturen zu erkennen. Die Grafik veranschaulicht, wie Radare, Teleskope und Netzwerke am Boden gemeinsam Gefahren im Weltraum aufspüren können, darunter Trümmer im Orbit, schädliches Weltraumwetter und erdnahe Objekte.

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Die optische Bodenstation (OGS) der ESA befindet sich im Observatorio del Teide auf Teneriffa und liegt in einer Höhe von 2393 Metern.

Quelle: ESA

Neben optischen Teleskopen sind für die Erfassung der kleinen Schrottobjekte auch leistungsfähige Radaranlagen nötig, über die Europa noch nicht verfügt. Deshalb hat das spanische Unternehmen Indra Espacio im Rahmen des Vorläuferprogramms vor Kurzem den Auftrag erhalten, das Testmodell eines derartigen Radars zu bauen. An der Entwicklung und Realisierung ist auch das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) aus Wachtberg bei Bonn beteiligt. Dort sind bereits vielfältige Erfahrungen auf diesem Gebiet vorhanden. Das Tira-Radar des FHR kann mit seiner 34-Meter-Antenne bereits heute zentimetergenaue Details eines Satelliten in der Umlaufbahn erkennen.

Bei allen eigenen Aktivitäten soll aber auch in Zukunft die internationale Kooperation mit anderen Diensten wie der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA, USA) oder dem Space Weather Prediction Center (SWPC, USA) ausgebaut werden.

Weitere Informationen:

Weltraummüll

Syn. Weltraumschrott, besser: Raumfahrtrückstände; engl. space debris, space junk; alle vom Menschen hinterlassenen funktionslosen Objekte im Weltraum. Die bislang vorhandenen Raumfahrtrückstände entstand durch die 5450 erfolgreichen Raketenstarts (2019), die seit Beginn des Raumfahrtzeitalters (1957) durchgeführt wurden. Dabei wurden etwa 8950 Satelliten ausgesetzt, von denen sich noch immer rund 5000 im Orbit befinden. Die meisten davon, nämlich 3950, funktionieren längst nicht mehr. Am vollsten ist es dabei auf den geostationären Bahnen in 35.786 km Höhe – die ideale Wahl für Wetter- und Telekommunikationssatelliten. Weltraummüll ist ein unerwünschtes Nebenprodukt der Raumfahrt, weil er diese behindert, aber auch zu Schäden auf der Erde führen kann.

Klassifizierung und Quantifizierung

Im Oktober 2019 meldete das US Space Surveillance Network fast 20.000 künstliche Objekte in Umlaufbahnen über der Erde, darunter 2.218 operative Satelliten. Dies sind jedoch nur die Objekte, die groß genug sind, um verfolgt zu werden. Im Januar 2019 befanden sich schätzungsweise mehr als 128 Millionen Trümmer, die kleiner als 1 cm sind, etwa 900.000 Trümmer von 1-10 cm und etwa 34.000 Trümmer, die größer als 10 cm sind, in der Erdumlaufbahn. Wenn die kleinsten Objekte von menschlich hergestelltem Weltraumschrott (Farbpartikel, feste Raketenabgaspartikel usw.) mit Mikrometeoroiden zusammengruppiert werden, werden sie von den Raumfahrtbehörden manchmal zusammen als MMOD (Micrometeoroid and Orbital Debris) bezeichnet. Kollisionen mit Trümmern sind zu einer Gefahr für Raumfahrzeuge geworden; die kleinsten Objekte verursachen Schäden wie beim Sandstrahlen, insbesondere an Sonnenkollektoren und Optiken wie Teleskopen oder Sternentrackern, die nicht leicht durch einen Schutzschild geschützt werden können.

Unterhalb von 2.000 km Erdhöhe sind die Trümmerteile dichter als Meteoroiden; die meisten sind Staub von Raketenmotoren mit Festtreibstoffen, Oberflächenerosionstrümmer wie Farbsplitter und gefrorenes Kühlmittel von RORSAT (nuklearbetriebenen Satelliten). Zum Vergleich: Die Internationale Raumstation umkreist die Erde in einer Höhe von 300-400 Kilometern, während die beiden jüngsten großen Trümmerereignisse - der chinesische Antisat-Waffentest 2007 und die Satellitenkollision 2009 - in 800 bis 900 Kilometern Höhe stattfanden. Die ISS verfügt über eine Whipple-Abschirmung, um Schäden durch kleine MMODs zu verhindern; bekannte Trümmer mit einer Kollisionswahrscheinlichkeit von über 1/10.000 werden jedoch durch das Manövrieren der Station vermieden.

Risiken

Das Risikopotential des Weltraummülls besteht in der hohen kinetischen Energie, welche infolge der hohen Geschwindigkeiten, die bei Kollisionen auftreten können, freigesetzt wird. Unterhalb von 2.000 km Höhe beträgt die durchschnittliche Kollisionsgeschwindigkeit etwa 36.000 km/h. Ein grundsätzliches Risiko für Raumfahrzeuge geht von Objekten aus, die größer als ein Millimeter sind, da sie etwa ab dieser Größe eine Satellitenstruktur beschädigen können. Ein besonderes Risiko geht von Objekten aus, die größer als ein Zentimeter sind, da sie im Falle einer Kollision ein Raumfahrzeug zerstören können. Sie durchschlagen jede Struktur, auch wenn diese zum Schutz mit Mehrfachwänden umgeben ist. Objekte größer als 1 cm sind nicht mehr abschirmbar. Ein Objekt von einem Zentimeter Größe setzt im Falle einer Kollision mit einer Satellitenstruktur etwa die Energie einer Handgranate frei. Diese Objekte beinhalten auch deshalb ein Risikopotential, weil es nicht möglich ist, sie vollständig zu beobachten. Denn die Umlaufbahnen von Objekten kleiner als 10 Zentimeter sind unbekannt. Eine mögliche Kollision mit einem Raumfahrzeug kann nicht vorhergesehen werden. Die Internationale Raumstation ISS musste bereits mehrmals Objekten, die sich ihr bedrohlich näherten, durch geringfügige Bahnänderungen ausweichen.

Mit der Zunahme von Satelliten, die sich auf hohen Umlaufbahnen zwischen 1.000 und 20.000 Kilometern oder auf der geostationären Bahn in 36.000 Kilometern Höhe befinden, steigt inzwischen die Anzahl langlebiger Fragmente, die Jahrzehnte oder noch länger unseren Heimatplaneten umkreisen werden.

Quellen

Die bekanntesten Beiträge zum Weltraummüll bestehen aus ausgedienten Satelliten, ausgebrannten Oberstufen, missionsbedingten Objekten (abgesprengte Haltebolzen, von Astronauten verlorenes Werkzeug) und Trümmern von unbeabsichtigten und beabsichtigten Kollisionen sowie von Explosionen von Satelliten oder Raketen-Oberstufen. Nicht zu vernachlässigen sind die meist kleinen Fragmente, die von Antisatellitenwaffen-Tests herrühren. So brachte der chinesische Test einer Antisatellitenwaffe am 10. Februar 2007, bei dem der ausgediente chinesische Wettersatellit Fengyun-1C zerstört wurde, mehr als 3300 katalogisierte Fragmente hervor, die größer als zehn Zentimeter sind. Die entstandene Anzahl noch kleinerer Teilchen ist wesentlich größer und kann nur geschätzt werden (ca. 150.000 Teile). Die Mehrzahl der Schrottteile wurde auf langlebige Orbits geschleudert, und die Überbleibsel dieses Ereignisses werden für mindestens ein Jahrhundert im All verbleiben. Es ist wahrscheinlich, dass Schrott des chinesischen Tests 2013 einen russischen Kleinsatelliten beschädigten.

Wenig ist öffentlich bekannt über die sogenannten Killersatelliten, die während des Kalten Krieges – wahrscheinlich auch noch heute – eigens zur Neutralisierung von Spionagesatelliten des Gegners eingesetzt werden. Die meisten führen selbstzerstörerisch eine beabsichtigte Kollision mit dem Ziel herbei, mitunter einhergehend mit einer Explosion.

Für den Großteil der verzeichneten Weltraumtrümmer sind ca. 240 orbitale Explosionen und bis zu zehn bekannte Kollisionen verantwortlich. Zum Beispiel zerbarst 1994 die Oberstufe einer Pegasusrakete in 703 Trümmerstücke. Manche Objekte werden absichtlich gesprengt, bei anderen detoniert an Bord verbliebener Resttreibstoff. Auslöser können Entladungen von Batterien der Satelliten sein.

Im Februar 2009 kollidierten erstmals zwei Satelliten im Weltraum (Iridium 33 und Kosmos 2.251), was zu weiteren mehr als 2200 Fragmenten, die größer als zehn Zentimeter sind, sowie eine nicht genau erfassbare Zahl noch kleinerer Teile führte.

Ferner emittieren Feststofftriebwerke beim Abbrennen mikrometergroße Partikel aus Aluminiumoxid. 16 nuklear betriebene sowjetische Spionagesatelliten vom Typ Rorsat hinterließen radioaktiven Weltraumschrott. Nach Ende ihrer Mission wurden die Reaktorkerne abgesprengt, wobei das Kühlmittel – eine Natrium-Verbindung – freigesetzt wurde und große Tropfen bildete. Von Satelliten abgeplatzte Farbe sind eine weitere Quelle für Weltraummüll.

Eher ins Reich der Kuriositäten gehören einige wenige Werkzeuge, die Astronauten bei Weltraumausstiegen verloren haben. Solche herumvagabundierenden Geräte könnten allerdings der Raumstation ISS gefährlich werden, wenn ihre Umlaufbahn sich so verändert, dass sie sich mit hoher Geschwindigkeit der Station nähern.

Der NASA-Berater Donald J. Kessler prognostizierte 1978 das als Kessler-Syndrom bekannt gewordene Szenario, nach dem bei Einschlägen kleiner Fragmente und Meteoroide jeweils viele größere Fragmente entstehen würden und so das Müllproblem beschleunigt wachsen würde, selbst wenn keine weiteren Satelliten mehr gestartet würden.

Senken

Glücklicherweise werden die meisten Fragmente nach wenigen Tagen, Wochen oder Monaten in der Erdatmosphäre vernichtet, da die dünnen oberen Schichten sie langsam abbremsen, bis sie in Richtung Erdoberfläche stürzen. Durch den Luftwiderstand mit den Teilchen der Atmosphäre verglühen sie schließlich. Teile von großen Objekten wie Oberstufen oder sehr große Satelliten werden dabei nicht immer vollständig zum Verglühen gebracht und können durchaus auf der Erdoberfläche aufschlagen. Zuletzt passierte das beim Absturz des amerikanischen Satelliten UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) Ende September 2011, als Fragmente des omnibusgroßen Satelliten über dem Pazifik niedergingen.

Trotz dieser „heißen“ Entsorgung in der Atmosphäre nimmt die Anzahl von Müllteilen in der Umgebung der Erde ständig zu. Und damit wird die Raumfahrt zunehmend gefährdet.

space_debris Monatliche Anzahl katalogisierter Objekte in der Erdumlaufbahn nach Objekttyp

Dieses Diagramm zeigt eine Zusammenfassung aller Objekte in der Erdumlaufbahn mit einer charakteristischen Größe von über 10 cm, die offiziell vom U.S. Space Surveillance Network katalogisiert wurden. "Fragmentierungsschutt" umfasst Trümmer von Satelliten und Trümmer von anomalen Ereignissen, während "missionsbedingter Trümmer" alle Objekte umfasst, die als Teil der geplanten Mission verteilt, getrennt oder freigegeben wurden.

Der starke Anstieg im Jahr 2007 ist der Zerstörung von Fengyun-1C geschuldet und der Anstieg 2009 stammt von der Kollision der Satelliten Iridium 33 und Kosmos 2251.

Quelle: Aerospace & Defence (nach NASA Orbital Debris Quarterly Newsletter

 

Beobachtung und Gegenmaßnahmen

Um laufende und künftige Missionen vor den gefährlichen Raumfahrtrückständen zu schützen sowie Müllvermeidungsstrategien entwickeln zu können, muss zunächst der Istzustand erfasst werden, um daraus Prognosen für die weitere Entwicklung ableiten zu können. Das wird derzeit vor allem vom US Space Surveillance Network (US SSN) übernommen. Die Organisation gibt regelmäßig einen Katalog mit den Bahnelementen der erfassten Objekte heraus. Offen zugänglich ist jedoch nur ein Teil der Daten, denn militärische Dienststellen haben kein Interesse daran, dass Bahndaten einiger geheimer Militärsatelliten bekannt werden. Russland betreibt ein ähnliches System und auch die ESA wird im Rahmen des europäischen Space Situational Awareness Programms ihre Aktivitäten auf diesem Gebiet ausbauen, in dem sie eine geeignete Infrastruktur zur Beobachtung schafft.

Obwohl die Maßnahmen gegen die weitere Entstehung von Weltraummüll sowie die aktive Entfernung von ausgedienten Satelliten aus den Umlaufbahnen technologisch anspruchsvoll und potenziell kostspielig sind, gibt es keine andere Möglichkeit, das Weltall als wertvolle Ressource für unsere kritische Satelliteninfrastruktur zu schützen. Die direkten Kosten von Satelliten und die Kosten, die mit ihrem möglichen Verlust entstehen, sind weitaus höher, als die Kosten der Abhilfemaßnahmen.

Studien verschiedener Raumfahrtagenturen zeigen, dass die Situation im erdnahen Orbit zwischen 600 und 1000 Kilometern Höhe entschärft werden könnte, wenn jährlich fünf bis zehn der größeren, kritischen Trümmerteile entfernt werden könnten.

Bei der Beseitigung von Weltraummüll handelt es sich um ein Umweltproblem auf globaler Ebene, welches in einem internationalen Kontext, einschließlich der UN-Gremien, angegangen werden muss. Noch ist es jedem Land ist es selbst überlassen, wie es mit seinem Weltraummüll umgeht. Verbindliche Abkommen gibt es nicht, entsprechend auch keinen Umweltschutz im All. Laut dem Weltraumschrott-Experten Prof. Dr. Walter Flury vom ESOC (European Space Operations Centre) in Darmstadt " ist die beste Technik nutzlos, bis die UNO einen Verhaltenskodex verabschiedet. Denn das Aufräumen im All beginnt auf der Erde".

Das Raumfahrtmanagement des DLR 2015 hat das Fraunhofer Forschungsinstitut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) in Wachtberg mit der Entwicklung und dem Bau eines leistungsfähigen Radars zur Überwachung und Verfolgung von Objekten im erdnahen Weltraum beauftragt. Das GESTRA (German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar) genannte System ist ein experimentelles Weltraumüberwachungsradar, mit dem Bahndaten von Satelliten und Trümmern im niedrigen Erdorbit in einer Höhe zwischen 500 und 1200 Kilometern erfasst werden sollen. Es hat Ende 2019 die ersten Messungen vorgenommen. Da es sich um sicherheitsrelevante Daten handelt, soll das Radar vom gemeinsamen Weltraumlagezentrum von DLR und Luftwaffe in Uedem aus betrieben werden. GESTRA soll auch im Verbund mit anderen Großanlagen wie dem Weltraumbeobachtungsradar TIRA oder dem Radioteleskop Effelsberg betrieben werden, um die Expertise im sogenannten bi- und multistatischen Radarbetrieb zu erweitern. Dieser fußt auf der radargestützten Beobachtung von Objekten im Weltraum, bei der mehrere, räumlich getrennte Sende- und Empfangseinrichtungen beteiligt sind. So können gerade kleinere Objekte besser erkannt und genauer bestimmt werden. Die Daten von GESTRA sollen nur Forschungseinrichtungen in Deutschland (!) zur Verfügung gestellt werden und bilden die Grundlage für die künftige Entwicklung in der operationellen Weltraumüberwachung.

Die US-Luftwaffe baut derzeit ein Weltraumüberwachungssystem der zweiten Generation auf, um künstliche Satelliten und Weltraummüll in der Erdumlaufbahn zu verfolgen. Das Space Fence genannte System wird ein S-Band-Radar verwenden. Es soll bis zu 200.000 Objekte im Erdorbit verfolgen können und 1,5 Millionen Beobachtungen pro Tag machen. Das Budget beträgt 1,594 Milliarden US-Dollar Die erste Anlage für den Space Fence wird sich auf dem Kwajalein-Atoll auf den Marshall-Inseln befinden, zusammen mit einer Option für einen weiteren Radarstandort in Westaustralien. Das System soll seine Arbeit im Jahr 2021 aufnehmen.

Die ESA gab im Spätjahr 2019 die weltweit erste Weltraummüllbeseitigung in Auftrag. ClearSpace-1 wird die erste Weltraummission sein, die Trümmer aus der Erdumlaufbahn entfernt. Die Mission soll 2025 starten und wurde bei einem von einem Start-up geführten kommerziellen Konsortium in Auftrag gegeben, um einen neuen Markt für In-Orbit-Service und Trümmerbeseitigung zu erschließen. Zielobjekt der ClearSpace-1-Mission ist die Vespa (VEga Secondary Payload Adapter) Oberstufe, die nach dem Flug der ESA-Trägerrakete Vega im Jahr 2013 auf einer Umlaufbahn von ca. 800 x 660 km Höhe liegt. Der ClearSpace-1 „Chaser“ wird für die Inbetriebnahme und kritische Tests in eine niedrigere 500-km-Umlaufbahn gebracht, bevor er zum Rendezvous und zur Erfassung mit einem Quartett von Roboterarmen unter Aufsicht der ESA seine höhere  Zielumlaufbahn ansteuert. Der Chaser und Vespa werden dann zusammen aus dem Orbit gebracht, um schließlich in der Erdatmosphäre zu verbrennen.

Ferner setzt die ESA mit der „CleanSpace“ Initiative auf neue Technologien, etwa eine Art Aufräumsatellit, der größere Objekte mit Netzen einsammeln oder durch Kursänderung oder Abbremsen zum kontrollierten Wiedereintritt und Verglühen in der Erdatmosphäre bringen könnte.

Ende Februar 2014 wurde der japanische Nanosatellit STARS-2 gestartet, der ein neues Verfahren zur Beseitigung von Weltraummüll testen soll. Chinesische Forscher schlagen vor, einen Raumantrieb zu bauen, der aus Weltraumschrott Treibstoff macht und sich so quasi unendlich lang seiner Putzmission widmen kann. Die ESA wiederum will das Problem mit einer Harpune angehen. Sie soll – möglichst ohne weitere Trümmer zu erzeugen – kaputte Satelliten oder Raketenteil in einem größeren Satelliten einfangen. Wenn dieser gefüllt ist, soll er bei einem kontrollierten Absturz in der Erdatmosphäre verglühen. 2021 soll diese Mission starten.

weltraumschrott_1_lres Quellen und Senken von Weltraummüll

Quelle: ESA

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Weltraumrecht

Internationale Rechtsordnung für den Weltraum, initiiert von der Generalversammlung der Vereinten Nationen (VN) 1959 mit der Schaffung eines ständigen Ausschusses (COPUOS), der sich auch mit der Ausarbeitung einer internationalen Rechtsordnung für den Weltraum befassen sollte.
Die erste und grundlegende völkerrechtliche Vereinbarung des Weltraumrechts ist der Weltraumvertrag von 1967, dem derzeit 98 Staaten, darunter auch Deutschland, angehören. Er legt Grundsätze fest, die die Weltraumaktivitäten von Staaten regeln. Danach ist der Erwerb von Hoheitsrechten an Teilen des Weltraums, am Mond und an anderen Himmelskörpern ausgeschlossen (Art. II). Für den Weltraum wird eine weitgehende Freiheit der Forschung und der wirtschaftlichen Nutzung gewährt, die allerdings nicht schrankenlos gilt, sondern zum Vorteil und im Interesse aller Länder ungeachtet ihres wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Entwicklungsstandes wahrzunehmen ist. Denn die Erforschung und Nutzung soll Sache der gesamten Menschheit sein ("province of all mankind", Art. I). Eine weitere Einschränkung dieser Freiheiten ist die friedliche Nutzung des Weltraums (Art. IV), die für den Mond und die anderen Himmelskörper umfassend gilt (d.h. keine Stützpunkte, keine Waffen, keine militärischen Übungen), für den übrigen Weltraum hingegen nur teilweise (keine Kern- oder Massenvernichtungswaffen). Ob Waffensysteme, die nur einen Teil der Flugstrecke im Weltraum zurücklegen, um zu ihrem Ziel zu gelangen (ballistische Raketen mit Nuklearsprengkörpern oder militärische Aufklärungssatelliten) erlaubt sind, ist zwischen den Vertragsstaaten umstritten. Die Grenze zwischen Luft- und Weltraum selbst wird nicht definiert.

Der Weltraumvertrag legt auch die Haftung für Schäden durch Weltraumaktivitäten fest (Art.VII). Staaten, die einen Weltraumgegenstand in den Weltraum starten, starten lassen oder ihr Territorium oder ihre Anlagen für Starts zur Verfügung stellen, haften grundsätzlich unbegrenzt für Körper- und Sachschäden, die ein solcher Gegenstand auf der Erde, im Luftraum oder im Weltraum verursacht, wenn diese auf fahrlässigem Handeln beruhen (vgl. auch Weltraumhaftungsübereinkommen).

Der Weltraumvertrag enthält ferner Bestimmungen zur Vermeidung von schädlichen Verunreinigungen des Weltraums. Allerdings haben sie in ihrer gegenwärtigen Fassung wenig praktische Bedeutung erlangt.

Die technische Entwicklung der Weltraumfahrt und die damit verbundenen Gefahren hat die Ausarbeitung von Verträgen zur Ergänzung und Konkretisierung des Weltraumvertrages veranlasst. Dazu gehören:

  • das Weltraumrettungsübereinkommen (1968) zur Gewährung von Hilfe an in Not geratene Raumfahrer und zur Rückgabe von in den Weltraum gestarteten Gegenständen
  • das Weltraumhaftungsübereinkommen (1972) zur Sicherstellung angemessenen Schadensersatzes für durch Weltraumgegenstände verursachte Schäden
  • das Weltraumregistrierungsübereinkommen (1975) zur Erleichterung der Identifizierung von in den Weltraum gestarteten Gegenständen
  • der Mondvertrag (1979) mit speziellen Regelungen über die Nutzung des Monds und der eventuellen Ausbeutung seiner Naturschätze. Diesen Vertrag haben wegen umstrittener Regelungen nur 11 Staaten ratifiziert. Er ist daher praktisch bedeutungslos.

Für einige Probleme der Nutzung des Weltraums gibt es bisher unter den VN-Mitgliedern keinen Konsens, ob und inwieweit eine rechtliche Regelung erfolgen soll. Deshalb wurden zunächst nur rechtlich nicht verbindliche Prinzipienkataloge ausgearbeitet, die als VN-Resolution angenommen wurden.

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Weltraumwetter

Engl. space weather; Bezeichnung für das komplexe Wechselspiel zwischen Phänomenen auf der Sonne, im interplanetaren Raum sowie in der Erdmagnetosphäre und -ionosphäre mit Einflüssen und Auswirkungen bis zur Erdoberfläche. Der Begriff wurde zuerst in den 1950er Jahren verwendet, bevor er in den 1990er Jahren allgemeine Verwendung fand.

Weltraumwetter - Auswirkungen auf Infrastruktur

Zu den technologischen Infrastrukturen, die von Weltraumwetterereignissen betroffen sind, gehören Satelliten, Flugzeuge und Stromnetze. Ein Netz von gegenseitigen Abhängigkeiten macht die moderne Wirtschaft besonders empfindlich gegenüber Sonnenstürmen. Deshalb sind die Förderung des Verständnisses der Ursachen des Weltraumwetters und die Verbesserung seiner Vorhersage entscheidende Ziele.

Quelle: NASA

 

Gewaltige Eruptionen auf der Sonne, verbunden mit Ionenstürmen verursachen verschiedene Effekte, die starken Einfluss auf den erdnahen Weltraum und selbst auf die Erdoberfläche haben. Etwa acht Minuten nach einem Ausbruch erreichen Röntgen- und UV-Strahlung die Erde, die zu Änderungen der Elektronendichte in der Ionosphäre (elektrisch leitfähige Gashülle um die Erde ab einer Höhe von ca. 60 km) führen. Sie können deshalb Kurzwellenübertragungen unterbrechen und Navigationssysteme stören. Nach einigen Stunden gelangen solare Protonen und andere energetische Teilchen zur Erde, die Raumschiffe und Satelliten beschädigen sowie die Gesundheit von Astronauten gefährden können. Die Signalqualität von Satelliten kann verschlechtert oder sogar völlig gestört werden.

Nach einigen Tagen trifft die ausgestoßene Plasmablase und das in ihr eingebettete Magnetfeld auf das Erdmagnetfeld, was in weiterer Folge das Polarlicht verursachen und Schäden an Stromleitungen und Pipelines hervorrufen kann. Ferner führen diese Prozesse zu einer Ausdehnung der Atmosphäre, was Einfluss auf Satellitenbahnen hat. Außerdem beeinflussen hochenergetische solare Teilchen die terrestrische Biosphäre, wo sie Mutationen bei Zellstrukturen bewirken.

Ein Ionosphärenwetterdienst soll dazu beitragen, Genauigkeit und Zuverlässigkeit satellitengestützter Kommunikations- und Navigationssysteme auch angesichts gigantischer Explosionen auf der Sonne zu gewährleisten, vor allem im Hinblick auf das im Aufbau befindliche zivile europäische Navigationssystem Galileo.

Eine frühe Information über den Sonnenwind erhalten wir vom NASA-Satelliten 'Advanced Composition Explorer’ (ACE). Das DLR Neustrelitz gehört zum ‘Real Time Solar Wind’ (RTSW) Netzwerk der National Oceanic and Atmpospheric Administration (NOAA) der USA. Die RTSW Daten liefern zuverlässige Warnungen vor starken Sonnenstürmen etwa eine Stunde im Voraus. ACE-Daten sind damit auch die Grundlage für die Verbesserung der Vorhersage ionosphärischer Störungen.

Veränderung in der Ionosphäre der Nordpolregion
während der Sonnenstürme am 30. Oktober 2003 Veränderung in der Ionosphäre der Nordpolregion während der Sonnenstürme am 30. Oktober 2003
Elektronendichteverteilung
in der oberen Ionosphäre Anfang November 2003 Elektronendichteverteilung in der oberen Ionosphäre Anfang November 2003

Quelle: DLR (R.o.)

Das Verständnis von Weltraumwetterprozessen war bisher eine Herausforderung, da Beobachtungen oft sehr spärlich und auf Orte beschränkt waren, an denen Satelliten In-situ-Messungen liefern konnten. Aus diversen Weltraummissionen der NASA, ESA und anderer Organisationen stehen inzwischen jedoch umfassende und langfristige Datenreihen zur Verfügung. Fortschritte bei maschinellen Lerntechniken ermöglichen es, auf Grundlage dieser Datensätze komplexe empirische Modelle zu erstellen. (Kreibich u.a. 2018)

Strahlungsumgebung der Erde Die Strahlungsumgebung nahe der Erde

Die Intensität der Teilchenstrahlung ist farblich gekennzeichnet. Ebenfalls schematisch dargestellt sind die Van Allen Probes, Raumfahrzeuge der NASA, die mit einer beträchtlichen räumlichen Abdeckung Messungen der Strahlung, des Wellenfelds und der Plasmaumgebung nahe der Erde liefern.

Die beiden im Jahr 2012 gestarteten Van-Allen-Sonden bewegen sich auf elliptischen Bahnen um die Erde.

Quelle: GFZ

 

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wetness index

Aus multispektralen Fernerkundungsdaten zu gewinnender Indikator zur Beschreibung des Wassergehaltes von Vegetationsflächen unterschiedlicher Dichte und mit unterschiedlichen Bodenanteilen. Ähnlich dem Vegetationsindex kann eine Kombination relevanter Spektralbänder operationeller Sensorsysteme, z.B. Landsat-TM, ein Feuchtemaß darstellen. Das Ausmaß an Reflexion im kurzwelligen (mittleren) Infrarot ist eng mit dem Wassergehalt der reflektierenden Vegetations- und Bodenflächen verbunden. Absorptionsmaxima durch Wassermoleküle liegen in Spektralbereichen von ca. 1,45 mm und 1,95 mm. Die in den benachbarten Wellenlängenintervallen von 1,55-1,75 mm und 2,08-2,35 mm aufnehmenden Kanäle 5 und 7 des Sensorsystems Landsat-TM eignen sich demzufolge für eine Charakterisierung der Feuchte. In Gegenüberstellung mit dem Reflexionsausmaß im nahen Infrarot (Landsat-TM, Kanal 4), das im Falle von reflektierender Vegetation maßgeblich von der Struktur des Blattmesophylls beeinflußt wird, ergibt sich ein Index TM4/TM5. Die Nutzung dieses Index ist jedoch nur bedingt möglich, da er weder ein verläßliches Maß für die absolute Feuchte noch für die relative Feuchte (Wasserkonzentration) darstellt.

In der Radar-Fernerkundung werden durch Scatterometer aufgenommene Datensätze in zunehmendem Maße dazu verwendet, Aussagen über die Bodenfeuchte der in Abhängigkeit des genutzten Frequenzbereiches erfassbaren obersten Bodenschichten zu gewinnen.

Wetterballon

Syn.Radiosonde; luftgetragene Plattform zur Erstellung eines Vertikalprofils der die Atmosphäre charakterisierenden Parameter (Temperatur, Druck, Feuchte). Dazu misst die Radiosonde, die an einer Schnur unter dem Ballon befestigt ist, alle paar Sekunden diese Parameter und sendet sie an einem Empfangsstation am Boden. Durch die horizontale Verdriftung des Ballons erhält man zudem eine Information über die Windverteilung in der Atmosphäre. Moderne Sonden übermitteln ihre jeweilige Position automatisch durch GPS-Sender. Früher konnte man die Ballone nur bei gutem Wetter manuell mit Theodolithen verfolgen.

Ein Wetterballon kann eine Höhe von 20–30 km erreichen und dehnt sich dabei wegen des mit zunehmender Höhe nachlassenden Luftdrucks auf einen Durchmesser von über zwölf Metern aus, bevor er platzt und die Sonde mit einem Fallschirm zum Boden zurückkehrt. Der Ballon besteht meist aus Gummi und hat ein Eigengewicht von lediglich etwa 200 Gramm. Gefüllt wird er normalerweise mit Helium oder Wasserstoff. Letzterer ist im Gegensatz zum raren und teuren Helium billig und leicht verfügbar, das Problem der Entflammbarkeit wird bei den erforderlichen Mengen als beherrschbares Risiko eingeschätzt.

Die Sonde wird am Wetterballon befestigt.Sie muss einen genügend großen Abstand zum Wetterballon haben, um nicht in seinem Windschatten aufzusteigen. Da sich der Ballon ausdehnt würde der Windschatten so groß werden, dass die Verfälschungen der Messergebnisse enorm wären.
Die Haut des Wetterballons ist sehr empfindlich und fein, so dass sie nur mit Schutzhandschuhen berührt werden darf. Selbst minimale Beschädigungen, die am Boden folgenlos bleiben, können in großer Höhe bei zunehmend gespannter Haut zum vorzeitigen Platzen des Ballons führen.
Wenn ein Wetterballon in der Nacht startet und kurz vor Sonnenaufgang auf seiner maximalen Höhe ist, kann man ihn auch bei einer Höhe von 30 Kilometer mit freiem Auge sehen, da er sich bereits extrem ausgedehnt hat und schon von der Sonne beleuchtet wird, wobei man selbst noch im Dunkeln steht.

Wetterballon mit Bodenstation

Wetterballon mit Bodenstation

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Start eines Wetterballons mit Reflektor und Sensorik

Wetterballone

Wetterballone werden weltweit gestartet, um mit ihren Instrumenten die aktuellen Bedingungen zu erkennen, wie auch um Wettervorhersagen durch Meteorologen oder/und Computermodelle erstellen zu lassen.
Etwa 800 Stationen rund um den Globus starten routinemäßig zweimal täglich Ballone, gewöhnlich um 0000 UTC und um 1200 UTC. Einige Einrichtungen führen gelegentlich auch zusätzlich Sonderaufstiege durch, wenn Meteorologen Bedarf an zusätzlichen Daten außerhalb der 12h-Routine-Aufstiege haben. Militärische und zivile Wetterämter sind weltweit für die Aufstiege zuständig, und auf der Grundlage internationaler Vereinbarungen werden nahezu alle Daten allen Nationen zugänglich gemacht.

Quellen: Top-Wetter.de / Planet Wissen

 
Wetterradar

Aktives Fernerkundungsverfahren in der Meteorologie vorwiegend zur Ortung und Intensitätsmessung von Niederschlägen. Als Doppler-Radar kann es auch zur Windmessung eingesetzt werden.

Ein Wetterradar besteht aus einer Antenneneinheit einschließlich Radom (Wetterschutz), einem Sender und einem Empfänger, Signal- und Datenverarbeitungsprozessoren, einem Radarrechner sowie einem lokalen Netzwerk mit den erforderlichen Fernmeldeanschlüssen für die Datenabgabe und für Fernzugriffsmöglichkeiten bei der Systemüberwachung.

Das Wetterrader gilt als klassisches Instrument zur flächenmäßigen Erfassung von Niederschlag. Das Radar erlaubt eine hohe räumliche Auflösung (typischerweise 1x1 km²) und eine häufige Messung (typischerweise alle 5 min). Es ist daher bestens geeignet, herannahende Niederschlagsgebiete zu erfassen und kurzfristig vor Starkniederschlägen zu warnen.

Beim Wetterradar wird elektromagnetische Strahlung von einer gerichteten bzw. rotierenden Parabolantenne in die Atmosphäre ausgesandt. Es handelt sich dabei um einen auf ca. 1° gebündelten, energiereichen Puls mit einer Wellenlänge von 3 bis 10 cm. Der Puls trifft dabei auf die in einer Wolke vorhandenen Niederschlagsteilchen, die Hydrometeore (Regentropfen, Eiskristalle, Hagelkörner). Diese Teilchen streuen die Radarstrahlung, und ein Teil davon gelangt durch die Rückstreuung wieder in die Antenne und zwar in der Zeit zwischen den ausgesandten Energieimpulsen. Die aufgefangene Rückstrahlung, das Radarecho, ist sehr schwach und muss deshalb verstärkt werden. Das Zeitintervall zwischen den ausgesandten Impulsen und den dazugehörigen Echos entspricht jener Zeit, die der Impuls braucht, um die doppelte Entfernung (hin und zurück) zu den streuenden Hydrometeoren zurückzulegen. Da sich die Radarstrahlung mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, kann die Distanz vom Radar zu den Partikeln berechnet werden.

Die Echostärke (Radarreflektivität) wird hauptsächlich von der Größe der Hydrometeore bestimmt, mit abnehmender Größe verliert das Echo rasch an Stärke. Bei den üblichen Wellenlängen der Wetterradargeräte geben die Wolkentröpfchen noch kein Radarecho, sie sind zu klein. Dagegen streuen die Regentropfen (>0,1 mm Ø), d.h. Niederschlag, der aus der Wolke ausfällt, die Radarstrahlen stark. Auch ist das Echo stärker, je mehr Tropfen sich im Radarstrahl befinden. Wasser streut stärker als Eis. Wassertropfen geben somit ein stärkeres Radarecho als "trockene" Graupeln gleicher Größe. Sehr starke Reflexe kommen auch von schmelzenden Schneeflocken, die mit einer Wasserhaut überzogen sind. Ebenfalls sehr stark ist der Reflex an Hagelkörnern. Das Verfahren eignet sich somit zur Hagelwarnung bei sommerlichen Gewittern.

Wetterradar - Prinzip (Animation) Wetterradar - Prinzip (Animation)

Wetterradare senden Pulse im Mikrowellenbereich, d.h. die Wellenlänge liegt im Bereich von 1 bis 10 cm. Ziel ist, dass die Wellenlänge ein wenig grösser als die grössten zu beobachtenden Teilchen ist (ideale Streueigenschaften). Es wird jeweils ein Puls von ca. 1 Mikrosekunde Dauer gesendet, dann wird sofort in den Empfangsmodus umgeschaltet, d.h. der Sender bleibt für ca. 1 Millisekunde stumm und hört Echos ab. Nach dieser Millisekunde sollten keine Echos mehr eintreffen und der nächste Puls kann gesendet werden.

Zur Animation auf Bild klicken

Quelle: ETHZ - IAC

 

Neben der Intensität der rückgestreuten Signale erfassen die Radaranlagen über die Dopplerverschiebung auch die mittlere radiale Geschwindigkeit der Niederschlagsteilchen. Ein Dopplerfilterverfahren entfernt die sogenannten 'Clutter'. Clutter sind Festechos, die durch hohe Gebäude oder Hügel verursacht werden. Störungen durch bewegte Objekte, z.B. Flugzeuge und Windenergieanlagen (WEA), lassen sich jedoch damit nicht beseitigen. Sie blenden gewissermaßen das Radar. Sicherheit hat jedoch Vorrang, daher muss das Umfeld in einem Radius von 15 Kilometern von solchen Objekten freigehalten werden.

Nach der Digitalisierung der Signale verarbeiten der Signalprozessor und der Radarrechner die Daten weiter. Der Radarrechner steuert und überwacht auch das gesamte System.

Bedingt durch die Physik der Streuung der Radarstrahlung an Regentropfen ist der Zusammenhang zwischen Radarrückstreusignal (Reflektivität) und am Boden ankommende Regenrate nicht eindeutig; der Fehler bei der Niederschlagsmessung mit einem konventionellen Wetterradar kann deshalb unter Umständen recht hoch sein. Mit einem polarimetrischen Wetterradar (z.B. POLDIRAD in Oberpfaffenhofen) können aber mehrere unabhängige Variablen des Niederschlags erfasst werden. Die Regenrate kann dann genauer und ohne zusätzliche Korrekturen bestimmt werden.

Wetterradarbild Wetterradarbild

Quelle: meteoradar.ch

In Deutschland liefert das Wetterradar des DWD seinen Experten alle fünf Minuten einen Scan (Abtastung) mit den aktuell gemessenen Werten der Niederschlagsechos zur Auswertung: Die Abtastung beginnt mit dem Precipitation-Scan, der den bodennahen Niederschlag bis zu 150 km Entfernung erfasst. Danach wird die gesamte Atmosphäre in zehn verschiedenen Schrägwinkeln mit einer Reichweite bis zu 180 km abgetastet, um Informationen über die vertikale Ausdehnung der Niederschlagsfelder zu erhalten. Wetter- und Unwetterereignisse können aufgrund der sehr hohen zeitlichen Auflösung genau verfolgt werden.

Neben der Erfassung von Niederschlag mit dessen Qualität, Quantität und dessen räumlicher Anordnung werden mit speziellen Windradargeräten (Windprofiler) auch Windgeschwindigkeiten und -richtungen erfasst. Diese besitzen Wellenlängen von ca. 1 m.

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Wettersatellit

Engl. weather satellite, franz. satellite météorologique; Bezeichnung für Satelliten in polarer oder äquatorialer Umlaufbahn,

  • die durch ihre Daten die vom Boden geführten meteorologischen Beobachtungen ergänzen und so zur Erfüllung der Aufgaben der Wetterdienste und der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) beitragen (meteorologisches Satellitensystem) oder
  • die der meteorologischen und klimatologischen Forschung dienen,
  • sowie der technologischen Weiterentwicklung von Wettersatelliten.

Die Beobachtung des aktuellen Wetterzustands aus dem Weltraum gehört zu den ältesten Anwendungen der Satellitentechnologie. Der US-amerikanische Satellit VANGUARD-2 (Start 1959) hat im Rahmen des Internationalen Geophysikalischen Jahrs (IGY) die Rückstrahlung des Sonnenlichts von der Erde und den Wolken (Albedo) gemessen und stellte damit eines der ersten Systeme zur Beobachtung von Wetter- und Klimaparametern dar. Allerdings war die Datenlieferung auf 19 Tage beschränkt und von bescheidener Qualität.

TIROS-1 Start Start von TIROS-1

Der Start von TIROS I (Television and InfraRed Observation Satellite) am 1. April 1960 war der erste Tag, an dem es möglich wurde, die Wetterbedingungen auf der Erde regelmäßig und über den größten Teil der Welt aus der Sicht des Weltraums zu beobachten.
Der Satellit zur Gewinnung von Wolkenbildern wurde an Bord einer Thor-Able-Trägerrakete von Cape Canaveral, ins All geschossen. Der Satellit war im Grunde ein Zylinder mit 18 abgeflachten Seiten zur Aufnahme von Solarzellen. Der Satellit hatte einen Durchmesser von ca. 1,07 m, eine Höhe von 0,56 m (einschließlich der hervorstehenden Linse der Fernsehkamera) und ein Startgewicht von ca. 128,4 kg einschließlich Treibstoff für kleine Feststoffraketen, um die Drehung des Satelliten mit der Zeit zu steuern. Zum Vergleich: Der neuere NOAA-15-Satellit hat einen Durchmesser von 1,88 m, ist in seiner "gefalteten" Startkonfiguration 4,2 m hoch und wiegt beim Start 2231,7 kg.

Quelle: NOAA

 

So blieb die meteorologische Fernerkundung blieb bis zum Start des ersten speziell für die Wetterbeobachtung konzipierten Satelliten TIROS 1 im Jahre 1960 im Wesentlichen auf erdgebundene Radarsysteme und den gelegentlichen Einsatz von Flugzeugen beschränkt. Dabei handelte es sich immer um räumlich begrenzte Beobachtungen aus mehr oder weniger erdgebundener Sicht. Der US-amerikanische TIROS lieferte S/W-Bilder mittels einer Videokamera. Bereits das Nachfolgesystem schloss den Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums in seine Beobachtungen ein. Die Reihe der Wetter- und Umweltsatelliten im niedrigen, polar umlaufenden Orbit wurde 1970 mit der Satellitenserie der US-Wetterbehörde NOAA fortgesetzt. Mit ihrem Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) stellt die NOAA-Serie mit ihren modernen Exemplaren weiterhin die Basis für die Kartierung vieler Atmosphären-, Boden- und Wasserparameter auf globaler und täglicher Basis dar. Seit Ende 2006 ergänzt der Satellit MetOp der Europäischen Wettersatellitenagentur (EUMETSAT) diese Flotte und fügt weitere Fähigkeiten hinzu, insbesondere durch die Messungen von atmosphärischen Spurengasen. Messungen vor allem der Treibhausgase über viele Jahre hinweg stellen wichtige Parameter zur Analyse und Prognose globaler Klimaveränderungen dar. Neben Europa und den USA betreiben Russland die Meteor-Serie, China die Fēngyún-Serie, Japan die MSAS-Serie und Indien die Insat-Serie.

Eine nahezu dauerhafte Beobachtung des Wetters an bestimmten Bereichen der Erde wird durch geostationäre Wettersatelliten ermöglicht. Seit dem Start des US-amerikanischen GOES-A im Jahre 1975 sind weitere dazugekommen. Die Satelliten von USA/NOAA, Europa/EUMETSAT, der Russischen Föderation, China, Japan und Indien liefern (Bild-)Daten über die gesamte, jeweils in ihrem Blickfeld befindliche Hemisphäre im Takt von bis zu 15 Minuten (s. Grafik unten).

Die Daten der geostationären Satelliten werden zumeist von zentralen Bodenstationen empfangen, verarbeitet und z.T. in verarbeiteter Form gleich über einen Transponder an Bord des gleichen Satelliten weiterverbreitet. Die neben den von nationalen Wetterdiensten und vermehrt auch privaten Anbietern erzeugten Klima- und Wetterdaten werden in internationalen Datenzentren zusammengeführt. In Europa ist das Zentrum für Mittelfristprognosen (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF) in Reading, westlich von London, eines der Zentren, die aus den Satellitendaten und Atmosphärenmodellen zunehmend genauere Langfristprognosen für das Wetter erstellen. Für den Flugverkehr sind auch die neun Volcanic Ash Advisory Center (VAAC) wichtig, die mithilfe von Wettersatellitendaten die Behinderungen des Flugverkehrs durch Vulkanasche in der Atmosphäre vorhersagen.

Heute liefert der Einsatz von Wettersatelliten permanent und weltumspannend Daten und Bilder über die Wolkenverteilung und Wolkenarten, die Bewegung und Zugbahnen der Wolken, die Windbewegungen, die Strahlungstemperaturen, die Schnee- und Eisbedeckung, die Oberflächentemperatur der Wasser- und Landflächen sowie den Zustand der Atmosphäre (u.a. Luftdruck, Niederschläge, Ozongehalt, Luftverschmutzung, Temperatur- und Feuchtigkeitsprofile). Neben den wichtigen Klimaelementen, die zur Wettervorhersage nötig sind, informieren die Satelliten auch über den Zustand der Waldgebiete, Ernte- und Weideflächen, Überschwemmungsgebiete, Meeresströmungen, Eisberge und über Vulkanausbrüche.

gos_wmo_sm The WMO Global Observing System

Das gegenwärtige globale Beobachtungssystem besteht aus verschiedenen Instrumentengruppen,
die von der WMO wie folgt eingeteilt werden:

  • Class 1 instruments, sie messen in situ an einem Ort; sie decken einen kleinen Teil der zu messenden Phänomene ab (z.B. Lufttemperatur in einer Bodenwetterstation).
  • Class 2 instruments, sie messen Variablen, die über eine Gebiet gemittelt werden oder die per Fernerkundung gemessen über ein Luftvolumen hinweg gemittelt werden (z.B. Temperatur, als Starhlungswerte vom Satelliten gemessen oder Niederschlag, aus Radarreflektivität abgeleitet).
  • Class 3 instruments, sie messen Windgeschwindigkeit durch das Nachverfolgen von physischen Objekten und ihrer Verlagerung über die Zeit (z.B. Sonden, die mit Hilfe von GPS verfolgt werden oder Windgeschwindigkeit, die sich aus der Verfolgung von Wolkenelementen mittels Satellitenbildern ableiten lässt).

Quelle: UCAR

 

Wettersatelliten tragen als Nutzlast bildaufnehmende Sensoren (Radiometer). Sie messen die Strahlung in verschiedenen Spektralbändern, hauptsächlich im sichtbaren und infraroten Bereich. Ferner sind sie mit Fernsehkameras, Strahlungsmessgeräten und atmosphärischen Soundern (passive Sensoren, die Höhenprofillinien von Druck, Temperatur oder Spurengaskonzentrationen in der Atmosphäre erfassen) ausgestattet. Zusätzlich sind Einrichtungen zur Kommunikation an Bord, z.B. zum Empfang von Wettermeldungen von automatischen Wetterstationen und zur Austrahlung der aufgenommenen Wettersatellitenbilder.

Die Radiometer liefern primär Wolkenaufnahmen, die durch ein automatisches Bildübertragungssystem (APT-System: Automatic Picture Transmission) praktisch ohne zeitliche Verzögerung von geeignet ausgerüsteten Bodenstationen empfangen werden können. Auch während der Nacht lässt sich die Bewölkung durch Messung der Infrarotstrahlung der Wolkenoberflächen beobachten. Die gemessene Strahlungsemission kann in Temperaturwerte umgerechnet werden, aus denen sich die Höhe der verschiedenen Wolkenschichten ableiten lässt. Aus Sequenzen halbstündiger Bilder von geostationären Satelliten lassen sich auch aus der Wolkenverlagerung Informationen über das globale Windfeld gewinnen. Aus Strahlungsmessungen in verschiedenen Wellenlängenbereichen, z.B. Absorptionsmessungen im Bereich der Kohlendioxid- und Ozon-Bande kann die Temperatur in verschiedenen Höhen der Atmosphäre berechnet werden. Strahlungsmessungen geben auch über die Feuchtigkeit (Wasserdampfverteilung) in der (oberen) Atmosphäre Aufschluss. Die Temperatur des Erdbodens und der Meeresoberfläche kann durch die im Infrarot und Mikrowellenbereich gemessene Strahlung bestimmt werden.

geo_vs_leo_table Vergleich der Eigenschaften von geostationären
und polarumlaufenden Satelliten

 

 

Quelle: UCAR

Nach Umlaufbahncharakteristik lassen sich zwei Gruppen von Wettersatelliten unterscheiden:

  • Eine Gruppe von Wettersatelliten umkreist die Erde auf polaren Umlaufbahnen in circa 800 bis 1.200 Kilometer Höhe, dabei passieren die Trabanten jeweils einen bestimmten Ort täglich zur gleichen Zeit (z.B. TIROS). Diese Satelliten beobachten immer die sonnenbeschienene Seite der Erde und erfassen sie streifenweise. Die Bahn wird daher auch sonnensynchron genannt. Da sie für einen Umlauf etwa 100 min benötigen, umfliegen sie in 24 Stunden etwa 14mal die Erde. An einer Empfangsstation in mittleren Breiten sind sie daher jeweils 3- bis 4mal nacheinander aufzunehmen, bevor sie etwa 12 Stunden später erneut in den Empfangsbereich kommen. In 24 Stunden werden so die meteorologischen Stationen auf der Erde mit einer kompletten Aufnahme der Erdoberfläche beliefert.
  • Eine zweite Gruppe befindet sich auf verschiedenen Positionen in geostationärer Umlaufbahn befinden. Da ein geostationärer Satellit nur ca. 2/5 der Erdoberläche abdeckt, ist ein internationaler Verbund von Satelliten notwendig. Sie fliegen in der Äquatorebene in rund 36.000 Kilometer Höhe, wo die Umlaufzeit genau 24 h beträgt. Damit steht der einzelne Satellit immer über einem bestimmten Punkt der Erde (erdsynchrone Bahn), und er tastet stets das jeweils gleiche Drittel der Erdoberfläche ab (z.B. METEOSAT). Die räumliche Auflösung liegt im Kilometerbereich (ca. 1 bis 5 km im Subsatellitenpunkt). Trotz unterschiedlichster Bezeichnungen und Herkunft sind sie ähnlich im Aufbau.

Quelle: Lyndon State College (R.o.)

Die geostationären Satelliten bieten im Vergleich zu den polarumlaufenden viel häufigere Messungen. Allerdings erfassen sie die Polargebiete nördlich bzw. südlich der 70. Breitengrade nicht mehr, auch wird die Auflösung zu den Polen und Bildrändern hin immer schlechter. In den Polargebieten werden diese Messungen jedoch von den polaren Satelliten in idealer Weise ergänzt: Da sie bei jedem Umlauf das Polargebiet beobachten, erfolgt auch dort eine nahezu lückenlose Überwachung.

Die stetige Erfassung desselben Bildausschnittes bei jeder Aufnahme von geostationären Satelliten erlaubt die Herstellung von Satellitenfilmen, sog. Loops. Sämtliche auch aus den Medien bekannte (Wetter-) Satellitenfilme stammen von geostationären Satelliten.

Nach den Aufgabenstellungen von Wettersatelliten wird unterschieden zwischen

  1. operationellen Satelliten ('Arbeitssatelliten') mit ihrem kontinuierlichen Datenstrom, dazu gehört die Satelliten-Serie der NOAA, die GOES-Serie und die Meteosat-Serie und
  2. Forschungs- und Entwicklungssatelliten, wie Nimbus, ATS (Application Technology Satellite), ACRIMSat, die vorläufig gescheiterte CryoSat-Mission für klimatologische Aufgabenstellungen oder der künftige ADM-Aeolus zur Vermessung von Windfeldern.
globalmetsys Globales System der operationellen Wettersatelliten

Geostationäre und polarumlaufende Satelliten, die zum globalen operationellen Satellitenbeobachtungssystem beitragen, dargestellt als Satelliten-Icons, die die Erde umkreisen. Aktualisiert am 10. November 2011

Quelle: UCAR

 

Als Vorteile von Satellitenbeobachtungen gegenüber anderen meteorologischen Mess- und Beobachtungssystemen gelten:

  • weltweit lückenlose und flächendeckende Erfassung des Systems Erdoberfläche/Atmosphäre
  • Ermittlung von vertikalen Gradienten verschiedener Größen, beispielsweise der Temperatur, vor allem über Ozeanen und anderen Arealen ohne bzw. mit wenig Bodenmessungen
  • zeitlich nahezu kontinuierliche Überwachung mit geostationären Satelliten (hohe Wiederholrate)
  • einheitliches Beobachtungssystem und damit vergleichbarere Daten
  • hoher Grad an Automatisierung mit relativ geringem Aufwand erreichbar
  • obenseitige Erfassung meteorologischer Parameter, z.B. von Wolken, als Ergänzung zu den konventionellen Beobachtungen
  • direkte Erfassbarkeit von schwer zu messenden Parametern und Prozessen wie Turbulenz und Strömungsenergie
  • homogene Darstellung großräumiger Strukturen, wie z.B. Wirbelstürme
  • sehr rasche Verfügbarkeit der Daten, da in digitaler Form vorliegend und damit unmittelbar per Computer verarbeitbar, auswertbar und rasch verbreitbar
  • Gewinnung einzelner Parameter ausschließlich mit Satelliten möglich (für die Klimaüberwachung wichtige Strahlungsflüsse am Oberrand der Atmosphäre)

Auch wenn längst weitgehend Konsens darüber besteht, dass Wissenschaftler und politische Entscheidungsträger Satellitendaten benötigen, um z. B. den Klimawandel zu verstehen und die damit einhergehenden Probleme anzugehen, ist der Zugang zu Daten von mehr als der Hälfte der nicht klassifizierten Erdbeobachtungssatelliten in irgendeiner Weise eingeschränkt, anstatt offen verfügbar. (Borowitz 2018)

Weitere Informationen:

Wettersatellitenbild

Bildhafte Darstellung der Messungen von Wettersatelliten im optischen Spektralbereich. Die seit Jahrzehnten eingesetzten Wettersatellitenbilder eignen sich hervorragend für die Diagnose und Analyse des Wetterzustandes, weil sie einen globalen, aus dem Weltraum gerichteten Überblick ermöglichen.

Mit Satellitenaufnahmen können neben der Verlagerung der Wolkenelemente die Wolkenoberflächentemperaturen aus den Graustufen von Infrarot-Aufnahmen bestimmt werden, was der Niederschlagsprognose dient. Daneben werden solche für Analyse und Vorhersage wichtigen Phänomene wie Lage und Eigenschaften der Strahlströme, Wirbelentstehungsprozesse, Fronten, Konvektionszellen u.a. diagnostiziert. Wolkenanalyse und -klassifikation werden mittels multispektraler Aufnahmen durchgeführt.

Eine Sonderform stellen die ebenfalls zu den ältesten Anwendungen der Fernerkundung gehörenden Thermalbilder dar, sie sowohl flugzeug- als auch satellitenbasiert erstellt werden können.

Satellitenbilder für Mitteleuropa stammen vorwiegend von den geostationären Satelliten der METEOSAT-Serie, der in ca. 37.000 km Höhe über dem Schnittpunkt des Äquators mit dem Nullmeridian steht und in der neuesten Version alle 15 min Bilder liefert. Die Zeit, die im Satellitenbild eingeblendet ist, ist UTC Zeit (Universal Time Coordinated), die der Greenwich Zeit (GMT: Greenwich Mean Time) entspricht. Diese unterscheidet sich von der jeweiligen Lokalzeit (in Mitteleuropa ist es z.B. bereits eine Stunde, während der Sommerzeit zwei Stunden später).

Die wiedergegeben Bilder sind sogenannte IR-Bilder, die die Infrarotstrahlung (IR) zeigen; das ist jene Strahlung, die Erde und Wolken aufgrund ihrer Temperatur aussenden und die im Satellitenbild entsprechend ihrer Intensität in Graustufen umgesetzt wird. In der üblichen Darstellung von Satellitenbildern stellen graue bis weiße Gebiete kalte Temperaturen und somit Bewölkung mit unterschiedlich warmen Obergrenzen dar, graue bis schwarze Gebiete jedoch warme Temperaturen und somit wolkenfreies Land oder Meer. An vielen Wetterdiensten wurden davon abweichende Darstellungen des Satellitenbildes entwickelt, die eine leichtere Interpretation ermöglichen. Die hier enthaltenen Bilder stellen die Bewölkung in weißen, wolkenfreies Land in braunen und wolkenfreies Meer in blauen Farbtönen dar. Tiefere, also wärmere Wolken über Land oder Meer erscheinen in helleren Farbstufen des jeweiligen Untergrundes.

IR-Bilder haben gegenüber den bekannten VIS(visible)-Bildern, die den Bereich der sichtbaren Sonnenstrahlung wiedergeben, den Vorteil, dass sie rund um die Uhr erstellbar sind, also auch in der Nacht, in der es keine Sonnenstrahlung und daher keine VIS-Bilder gibt.

Die Graustufen (bzw. Farbtöne) in einem IR-Bild sind ein Werkzeug für die Erkennung und Diagnose typischer Wolkensysteme. Ein bekanntes Beispiel für warme Wolkenobergrenzen ist Nebel, hingegen kann man für kalte Wolkenobergrenzen (weiß) Gewitterwolken, Wetterfronten und hohe Cirruswolken (Schleierwolken) anführen. Die Erwärmung des wolkenfreien Landes durch die Sonneneinstrahlung im Laufe eines Tages erkennt man ebenfalls in den IR-Bildern durch das Dunklerwerden der Brauntöne etwa bis zum frühen Nachmittag, was insbesondere in den Mittelmeerländern und Nordafrika leicht beobachtbar ist.

Neben den Graustufen sind Konfiguration und Musterung der Bewölkung ebenso wichtige Unterscheidungsmerkmale. So erkennt man lange und breite Wolkenbänder, die häufig Wetterfronten begleiten, Wolkenspiralen, welche Tiefdruckwirbel anzeigen und große Gebiete, meist in der Kaltluft auf der Rückseite der Wetterfronten, die mit kleinen Wolkenzellen erfüllt sind; letztere bilden sich, wenn die kalte Luft über einen warmen Untergrund strömt.

Weitere Informationen:

WFC

Engl. Akronym für Wide Field Camera

Whiskbroom-Scanner

Auch Across Track-Scanner; Scannertyp, der die Erdoberfläche während der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs oder Satelliten pixelweise mit Hilfe eines rotierenden oder oszillierenden Spiegels abtastet (optomechanischer Scanner). Dabei erfasst er jedes Pixel pro Zeile einzeln und leitet die Information an den Sensor weiter. Später wird durch Zusammenfügen der einzelnen Zeilen wiederum eine flächenhafte Szene erreicht. Die beweglichen Teile machen diese Aufnahmetechnik teuer und verschleißanfällig.
Die Landsatversionen 1-7 benutzten Whiskbroom-Scanner, das Instrument OLI auf Landsat 8 ist ein Pushbroom-Scanner.

Whiskbroom Scanner

Whiskbroom Scanning

Whiskbroom-Scanning

Links: Schema des Scan-Prinzips. Das Bild wird bei die Bewegung des Satelliten auf seiner Umlaufbahn aufgenommen, indem die einzelnen Pixel einer Zeile quer zur Flugrichtung gescannt werden.

Rechts: Animation des Aufnahmevorgangs

Quellen: ResearchGate / NASA

 
Wiederbesuchsperiode

Auch Wiederbesuchszeit; engl. revisit period, revisit time; es gibt zwei verschiedene Definitionen für die Wiederbesuchszeit. Aus der Sicht des Satelliten ist die Wiederbesuchszeit die Zeit, die verstrichen ist, bevor der Satellit seine Bahn erneut zurücklegt und über genau denselben Punkt auf der Bodenoberfläche fliegt. Aus der Sicht eines EO-Nutzers ist die Wiederbesuchszeit definiert als die Zeitspanne, die vergeht, bis das Satellitensystem (Einzelsatellit oder oder eine Satellitenkonstellation) in der Lage ist, denselben Punkt auf der Erde zu beobachten.

Der Unterschied zwischen diesen beiden Definitionen rührt von der "Agilität" der meisten EO-Satelliten her, d.h. von der Fähigkeit eines Satelliten, seine Fluglage zu verändern, um Szenen außerhalb seiner Bodenspur zu beobachten. Um die Wiederbesuchszeit weiter zu reduzieren, können Satellitenkonstellation verwendet werden: Eine Erhöhung der Anzahl der Satelliten im Orbit verringert die Wartezeit zwischen den Beobachtungen einer Szene.

Aufnahmestrategien
Verschiedene Akquisitionsstrategien unter Ausnutzung der Agilität eines EO-Satelliten

Die beiden Satelliten der Pléiades-Konstellation sind beispielsweise auf ihrer sonnensynchronen Umlaufbahn in der Lage, Bilder in einem Korridor von +/- 30˚ um ihre Bodenspur zu erfassen: Während der periodische Zyklus ihrer Umlaufbahnen 26 Tage beträgt, bietet die Agilität der Satelliten in Kombination mit der phasenweisen Umlaufbahn der Konstellation einen 2-Tages-Revisit für jeden Punkt auf der Erde.

Quelle: Airbus D&S, S. 4

Die meisten EO-Satelliten befinden sich auf speziellen, niedrigen Erdpolumlaufbahnen, den so genannten "Sun-Synchronous Orbits (SSO)", deren Höhe und Neigung genau berechnet werden, so dass der Satellit im Laufe der Zeit die gleiche Szene mit dem gleichen Beleuchtungswinkel von der Sonne aus beobachtet. Diese Art von Umlaufbahnen hat typischerweise eine Höhe von etwa 700 km und eine Inklination von 98˚. Aufgrund dieser hohen Inklination wird die Wiederbesuchsdauer eines Satelliten für äquatoriale Gebiete länger sein als für Polargebiete.

Der Bedarf an Erdbeobachtungsdaten kann "punktuell" sein, (z.B. zur Vorbereitung einer Straßenunterhaltungsmaßnahme in einem abgelegenen Gebiet), "punktuell & dringend" (z.B. zur Beurteilung überfluteter Gebiete nach einem Tsunami) oder "periodisch" (z.B. zur Überwachung von Nutzpflanzen). Die Wiederbesuchszeit eines Satellitensystems ist ein entscheidender Faktor bei der Wahl. Dieser Parameter steht in engem Zusammenhang mit der Art der Umlaufbahn der Satelliten.

Die Wiederbesuchsperiode ist abhängig von der Umlaufbahn des Satelliten, dem Zielort und der Bodenspur des Sensors. "Wiederbesuch" ("Revisit") bezieht sich auf die gleiche Bodenspur, i.e. eine Projektion der Umlaufbahn des Satelliten auf die Erde. "Revisit" erfordert eine sehr genaue Wiederholung der Bodenspur. Im Falle von Aufklärungssatelliten mit polnaher und niedriger Erdumlaufbahn muss die Sensornutzlast die Fähigkeit zu einer "variablen Bodenspur" haben, um flexibel auf Zielanforderungen reagieren zu können.

Mit Hilfe von lenkbaren Sensoren kann ein satellitengestütztes Instrument ein Gebiet (außerhalb des Nadirs) unmittelbar vor und nach dem Überflug beobachten, so dass die Wiederbesuchsperiode kürzer als die Umlaufdauer ist. Die Wiederbesuchsperiode ist ein wichtiger Faktor bei einer Reihe von Überwachungsaufgaben, insbesondere wenn häufige Aufnahmen erforderlich sind (z.B. zur Überwachung der Ausbreitung einer Ölpest oder des Ausmaßes einer Überflutung). Auf polnahen Umlaufbahnen werden Gebiete in hohen Breiten häufiger abgebildet als die äquatoriale Zone, da die Überlappung in benachbarten Schwadstreifen zunimmt, wenn die Umlaufbahnen in Polnähe näher zusammenrücken.

In der Praxis wird bei der Bestellung neuer Bilder von einem Erdbeobachtungssatelliten eine Machbarkeitsbewertung durchgeführt, um die Bearbeitungszeit abzuschätzen. Einige Gebiete können einen hohen Bedarf an Bildern (erheblicher Bearbeitungsrückstand) oder eine anhaltende Bewölkung haben, wodurch sich die tatsächliche Wiederbesuchszeit verlängern kann.

Wiederbesuchsrate

Engl. revisit rate; Bezeichnung für die Häufigkeit, mit der ein Satellit oder eine Satellitenkonstellation Aufnahmen von demselben Ort auf der Erde innerhalb eines anzugebenden Zeitabschnitts (Tag, Woche) macht.

Neu eingeführt ist der qualitative Begriff "rapid revisit" um beim Satellitenmonitoring die Fähigkeit eines Systems zu beschreiben, wiederholte, durch kurze Zeitintervalle getrennte Bildaufnahmen zu machen. Dies bedeutet sowohl, dass die Konstellation kurzfristig reagieren kann, um ein Ziel zu erfassen, ohne tagelang auf den Durchgang der Satelliten zu warten, als auch, dass ein Ziel über einen bestimmten Zeitraum häufig erfasst werden kann.

Was "schnell" genau bedeutet, kann sehr unterschiedlich sein. Bei der Fa. Planet definiert man dies beispielsweise als die Fähigkeit, mehrere Bilder pro Tag vom selben Ort überall auf der Erde aufzunehmen (Planet sieht dies Anfang 2020 als Alleinstellungsmerkmal ihrer SkySat-Konstellation kann). Diese Fähigkeit zur tagesaktuellen Überprüfung hat unzählige Vorteile in den verschiedensten Branchen, von der Katastrophenhilfe über Verteidigung und Nachrichtendienste bis hin zu Energie, Geschäftsinformationen und globalen Nachrichtenereignissen.

Burning Man 2018 Planet’s SkySat Konstellation

Burning Man zieht jährlich Zehntausende von Besuchern in die Black Rock Wüste von Nevada. Diese SkySat-Bilder zeigen die temporäre Stadt mit 70.000 Einwohnern auf dem Höhepunkt des Festivals 2018: am 28. August, vormittags und nachmittags am 29. August und am 30. August. Die Sequenz zeigt das bekanntermaßen wechselhafte Wetter der Playa - von heller Sonne bis hin zu heftigen Staubstürmen.

Die Satelliten der Konstellation sind so positioniert, dass sie jeden Tag um 10.30 Uhr und 13.30 Uhr jeden beliebigen Punkt der Erde abbilden. Dies ist besonders nützlich in Fällen, in denen die Bewölkung ein Problem darstellt, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass Sie jeden Tag ein wolkenfreies Bild erhalten, oder wenn bestimmte Schattenwinkel wichtig sind.

Quelle: Planet (2020)

 
Wiederholzyklus

Engl. repeat cycle; festgelegte Anzahl von Tagen, nach denen die Bahnspur eines Satelliten erneut überflogen wird. Der Wiederholzyklus bestimmt die zeitliche Auflösung. Beispielsweise haben die Satelliten Sentinel-1A/B jeweils einen Wiederholzyklus von 12 Tagen mit 175 Umläufen pro Zyklus.

Wiensches Verschiebungsgesetz

Engl. Wien's displacement law; nach Wilhelm Carl Werner Wien (1864-1928) benanntes Strahlungsgesetz, das die Berechnung der Wellenlänge des Strahlungsmaximums λmax der abstrahlenden Oberfläche ermöglicht. Das Wiensche Verschiebungsgesetz zeigt, dass diese Wellenlänge mit steigender Temperatur immer kleiner wird (Plancksches Strahlungsgesetz):

Formel zum Wienschen Verschiebungsgesetz

mit
η = konst. = 2,898 µm K, T = absolute Temperatur der strahlenden Oberfläche.

 

Das nach Wilhelm Wien benannte Wiensche Verschiebungsgesetz gibt an, bei welcher Wellenlänge bzw. Frequenz ein nach dem planckschen Strahlungsgesetz strahlender schwarzer Körper je nach seiner Temperatur die größte Strahlungsleistung oder die größte Photonenrate abgibt.

 

Das Wiensche Verschiebungsgesetz findet in der Fernerkundung z.B. bei der Bestimmung von Oberflächentemperaturen im Rahmen von Wärmehaushaltsuntersuchungen oder mikroklimatischen Analysen Anwendung.
Die maximale Strahldichte der Sonne liegt bei ca. 0,5 µm. Mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz erhält man die Oberflächentemperatur der Sonne: TSonne = 2898/0.5 = 5800 K. Andererseits weist die Erdoberfläche eine Temperatur von etwa 300 K auf. Nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz erhält man die Wellenlänge, mit der die Erde am stärksten strahlt: λmax = 2898/300 = 9.7 µm.

Für die Geofernerkundung ist nur der reflektierte und emittierte Anteil der Erdoberfläche nutzbar. Diese Strahldichte ist wesentlich geringer als die der Sonne. Der emittierte Anteil liegt im Mittel bei 275 K (~ 1°C) und erreicht seine maximalen Strahlungsdichte bei etwa 10.000 nm (thermales IR). Daraus folgt, daß bei der Fernerkundung der Erde im VIS und IR (bis 2500 nm) ausschließlich reflektierte Sonnenstrahlung zur Verfügung steht, im thermalen IR (8000-15000 nm) die Eigenstrahlung der untersuchten Objekte.

Windprofiler

Bodengebundene Fernerkundungsverfahren zur Messung der Windgeschwindigkeit und Windrichtung (Windprofile) in hoher zeitlicher Folge (60 min) auf Radarbasis. Windprofiler arbeiten mit Wellenlängen von 1 m, das entspricht Frequenzen von einigen 100 Mhz bis 1 Ghz. In diesem Frequenzbereich findet keine Absorption durch Wasser- und Regentropfen statt, wodurch die Messungen durch Wolken und Regen nicht gestört werden.

Am häufigsten kommen derzeit gepulste Radargeräte, die nach dem Verfahren des so genannten "Doppler Beam Swinging" arbeiten, zum Einsatz. Bei diesem Verfahren werden in mindestens drei bzw. auch fünf verschiedenen Strahlrichtungen elektromagnetische Impulse ausgesandt, die an turbulenten Inhomogenitäten des Brechungsindexfeldes der Atmosphäre gestreut werden. Die rückgestreuten Wellen erfahren dabei in Abhängigkeit von der durch den Wind bestimmten Bewegung der turbulenten Strukturen eine Frequenzverschiebung (Dopplereffekt), so dass aus der Analyse des rückgestreuten Signals die radiale Windgeschwindigkeit für jede Strahlrichtung ermittelt werden kann.
Durch Kombination der Radialgeschwindigkeiten von drei oder fünf Strahlrichtungen kann schließlich der dreidimensionale Windvektor berechnet werden. Die erforderliche Höhenzuordnung ergibt sich aus der Laufzeit des elektromagnetischen Signals.
Der vertikale Messbereich, insbesondere die maximal erreichbare Messhöhe wird in erster Linie durch die Betriebsfrequenz der Systeme vorgegeben und variiert zwischen 0,2 und 3 km (Grenzschichtwindprofiler) bzw. 0,5 und 16 km (Troposphärenwindprofiler). Allerdings liegt die Höhenauflösung wegen der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit nur bei ca. 100 m.

Windprofiler-Radargeräte können mit Schallquellen zu einem Radio-Akustischen-Sondierungs-System (RASS) zur Messung der Temperatur ergänzt werden. Die ausgesandten akustischen Wellen erzeugen künstliche Inhomogenitäten im Brechungsindexfeld, die sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Durch das Windprofiler-Radar lässt sich nun, analog zur Messung des Radialwindes, die Schallgeschwindigkeit bestimmen und aus dem physikalischen Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Temperatur das vertikale Temperaturprofil ableiten.
Die vertikale Reichweite ist hierbei auf Grund der starken Schwächung der akustischen Signale jedoch deutlich geringer als bei der Windmessung. Je nach System werden im allgemeinen Messhöhen von 0,2 - 1 km (Grenzschichtwindprofiler) bzw. 0,5 - 4 km (Troposphärenwindprofiler) erreicht.

Troposphären-Windprofiler Troposphären-Windprofiler

Der Wind Profiler ist ein meteorologisches Messsystem. Mit dem Instrument ist man in der Lage, kostengünstig und in hoher zeitlicher Auflösung den Höhenwind zwischen 500 m und 16 km und die Temperatur bis 4 km zu bestimmen. Es arbeitet hauptsächlich wie ein vertikal ausgerichtetes Radargerät.Quelle: DWD

 

Windprofiler vermögen die für den Flugverkehr gefährlichen Scherwinde beim Landeanflug sowie CAT-Bereiche (Clear Air Turbulence, starke Turbulenz in der Nähe der Strahlströme, nicht mit Wolkenbildung verbunden, daher für das Auge nicht erkennbar) in der oberen Troposphäre zu erfassen. Auch nächtens ziehende Zugvogelschwärme werden erfasst und beeinträchtigen die Messung. Die Genauigkeit von Windprofilern entspricht der von Radiosonden.

Auf Grund der unbemannten und von den meteorologischen Bedingungen nahezu unabhängigen Messungen avancieren Windprofiler weltweit zu einer wichtigen Komponente im aerologischen Messnetz.

Weitere Informationen:

Windscatterometer

Aktives Mikrowellengerät, das über mehrere Antennen (meistens 3) mit unterschiedlichen Blickrichtungen zur Flugrichtung die Wasseroberfläche mit Radarpulsen bestrahlt und dann die rückgestreute Radarintensität, eine Funktion der kurzskaligen Rauhigkeit der Wasseroberfläche und damit der Windgeschwindigkeit, misst. Auf den inzwischen inaktiven europäischen Fernerkundungssatelliten ERS-1 und -2 befand sich ein solches Windscatterometer, das in Auflösungszellen von 50 x 50 km in einem 500 km breiten Streifen rechts zur Satellitenlaufbahn die Windgeschwindigkeit in Betrag und Richtung misst.

Ferner war der japanische ADEOS-II und der amerikanische QuikSCAT mit fast identischen Versionen des Instruments SeaWinds ausgestattet. Aktuell (2014) sind ein Ku-Band-Scatterometer (SCAT) auf dem indischen OceanSat-2, sowie zwei C-Band-Scatterometer (ASCAT) an Bord der europäischen MetOp-A und MetOp-B in Betrieb. Diese Konstellation wurde im September 2014 ergänzt durch das an der ISS montierte ISS-RapidScat.

Scat_Winds_-_10m_20131212_2241 Starker Sturm im Nordatlantik

Am 12. Dezember 2013 verstärkte sich im Nordatlantik südlich von Grönland ein großes und starkes Sturmtief.
Das ASCAT Scatterometer auf EUMETSATs Metop hob um 22:41 UTC drei Gebiete über dem Wasser hervor, die eine Reihe von fernerkundeten Winden von 50 Knoten oder mehr (rote Windpfeile) aufwiesen. Die stärkste Windgeschwindigkeit innerhalb dieses ASCAT-Streifens betrug 54 Knoten und befand sich im größten Bereich der roten Windpfeile südlich des Sturmzentrums.

Die Grafik enthält Daten des amerikanischen Wettersatelliten GOES-13, aufgenommen mit dessen Wasserdampf-Kanal und des europäischen MetOp mit seinem ASCAT.

Quelle: CIMSS Satellite Blog

 

Weitere Informationen:

Wissen

Engl. knowledge; die Menge aller von einem Wissensträger als wahr angenommenen Aussagen über die repräsentierte Welt, die tatsächlich wahr sind. Demgegenüber stellen Überzeugungen eines Wissensträgers alle Aussagen dar, von denen er glaubt, sie seien wahr. Wissen kann im Rechner in unterschiedlichster Form repräsentiert werden, so z.B. regelbasiert mittels Logikmodellen (z.B. Aussagenlogik, Prädikatenlogik, Fuzzy-Logik) oder objektzentriert mittels semantischer Netze oder Frames. Wissen ist das Ergebnis eines Verstehensprozesses, der sich durch die Einordnung von Informationen in den Kontext individueller Erfahrungen vollzieht. (nach GI-Lexikon)

WMO Integrated Global Observing System (WIGOS)

Integriertes und umfassendes Wetterbeobachtungssystem der WMO, das Daten aus Weltraum, Atmosphäre, von Land und Ozean zusammenführt. Die Daten (in situ und FE) entstammen einer Vielzahl von Plattformen, die operationell oder für Forschungszwecke genutzt werden.

wigos The WMO Integrated Global Observing System

Veranschaulichung einiger der zahlreichen Beobachtungssysteme, die am Boden, auf See, in der Atmosphäre und im Weltraum zur Überwachung von Wetter, Klima, Wasser und anderen damit in Zusammenhang stehenden Umweltvariablen eingesetzt werden. Ihre effiziente und effektive Integration ist eines der Hauptziele von WIGOS.
Es wird die geordnete Entwicklung der gegenwärtigen globalen WMO-Beobachtungssysteme, insbesondere des Globalen Beobachtungssystems (GOS), der Globalen Atmosphärenbeobachtung (GAW) und des Beobachtungssystems für den weltweiten Wasserkreislauf (WHYCOS), zu einem integrierten, umfassenden und koordinierten System fördern. Es wird auf kosteneffiziente und nachhaltige Weise die sich entwickelnden Beobachtungsanforderungen der WMO-Mitglieder erfüllen und gleichzeitig die Koordination des WMO-Beobachtungssystems mit den von internationalen Partnern betriebenen Systemen verbessern. Zusammen mit dem WMO-Informationssystem (WIS) wird WIGOS die Grundlage für die Bereitstellung genauer, zuverlässiger und rechtzeitiger Wetter-, Klima-, Wasser- und damit zusammenhängender Umweltbeobachtungen und Produkte durch alle Mitglieder und WMO-Programme bilden, was zu einer verbesserten Leistungserbringung führen wird. Quelle: WMO

 

Weitere Informationen:

WMO Space Programme

Das Weltraumprogramm der World Meteorological Organization hat zum Ziel, die Verfügbarkeit und die Nutzung von wetter-, klima- und wasserbezogenen Satellitendaten und -datenprodukten zu fördern. Es koordiniert Wettersatelliten-bezogene Angelegenheiten und Aktivitäten quer durch alle WMO-Programme und gibt Anleitungen und Informationen über das Potential von Fernerkundungstechnologien in der Meteorologie, Hydrologie und verwandten Disziplinen.

wmo_sp

Die 4 Hauptkomponenten des
WMO Space Programme

Rascher Zugriff zu einzelnen Programmelementen:


Weltraumgestützter Teil des globalen Beobachtungssystems
der WMO

Globales Wettersatellitensystem

Quelle: NOAA NESDIS

  • die integrierte weltraumgestützte Beobachtungssystemkomponente des Integrierten Globalen Beobachtungssystems der WMO (WIGOS) entwickeln, die sowohl operative (wie EUMETSAT) als auch Forschungs- und Entwicklungssatelliten für die Umwelt umfasst,
  • die Zugänglichkeit von Satellitendaten und -produkten der aktuellen und nächsten Generation verbessern und auf die Bedürfnisse der Nutzer eingehen,
  • den Datenaustausch durch gemeinsame Standards und das WMO-Informationssystem (WIS) fördern,
  • die koordinierte Datenverarbeitung mit nachvollziehbarer Qualität fördern,
  • das Bewusstsein für die Leistungsfähigkeit von Satelliten schärfen und die Bildung mit Schwerpunkt auf den Entwicklungsländern fördern, damit die Mitglieder von diesen und anderen technologischen Innovationen profitieren können und
  • die Einrichtung und Weiterentwicklung der Überwachung des Weltraumwetters koordinieren, indem die Warnungen und die Vorbereitung auf Weltraumwettergefahren verbessert werden.
 

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WOCE

Engl. Akronym für World Ocean Circulation Experiment, das zwischen 1990 und 1998 von 30 Staaten durchgeführte Weltozean-Zirkulationsexperiment; mit seinen bislang nicht vorgenommenen in-situ- und Satellitenbeobachtungen der Weltmeere bildete es das maritime Kernvorhaben des Weltklimaforschungsprogramms (WCRP) mit den Zielen

  • ein besseres Verständnis wichtiger physikalischer Prozesse zu erreichen und damit
  • Ozeanmodelle zur Vorhersage von Klimaentwicklungen zu entwerfen und durch globale Meßdaten zu überprüfen sowie
  • Konzepte zur Überwachung des Langzeitverhaltens der Ozeane zu erstellen, um klimarelevante Variationen der Ozeanzirkulation erkennen und aufzeichnen zu können.

Zur Erfüllung dieser Forderungen wurden ein umfangreiches globales Meßprogramm entworfen sowie international koordinierte Modellentwicklungen und numerische Experimente vorgenommen.

Die Hauptziele des WOCE wurden im wesentlichen erreicht. Darüber hinaus wurden nicht vorhergesehene Prozesse im Periodenbereich von Jahren bis zu Jahrzehnten neu entdeckt. Die dafür verantwortlichen Mechanismen müssen allerdings noch aufgeklärt werden. Diese Aufgabe bildet den Kern des Vorhabens "Climate Variability und Predictability" (CLIVAR) innerhalb des Weltklimaforschungsprogramms. Dabei wird u.a. angestrebt, während der kommenden Dekade hinreichende Grundlagen für kurz- (< 1 Jahr) und mittelfristige (einige Jahre bis Dekaden) Klimavorhersagen zu schaffen.

Wolken

Sichtbares Produkt der Kondensation bzw. Deposition von Wasserdampf in der Atmosphäre. Sie bilden sich als Ansammlung von kleinen, teils unterkühlten Wassertröpfchen (Wasserwolken), von Eiskristallen (Eiswolken) oder beidem (Mischwolken), deren Tropfenfallgeschwindigkeit so gering ist, dass sie in der Schwebe gehalten werden. Die Höhe, bei der Kondensation bzw. Deposition eintritt, bezeichnet man als Wolkenbasis oder Wolkenuntergrenze. Diese wird heute in der Regel mit einem Ceilometer bestimmt.
Für die meisten Klimaregionen sind bestimmte Wolkenarten charakteristisch. Sie sind typische Kennzeichen der jeweiligen Wetterlage und Vorzeichen für die künftige Wetterentwicklung. Um die Beobachtung von Wolken international vergleichbar zu machen, hat man schon früh ein einheitliches Klassifikationssystem entwickelt (Howardsche Wolkenklassen).

Wolkenteilchen (Wolkentropfen oder Eiskristalle) entstehen durch Abkühlung feuchter Luft aufgrund von Hebung oder Mischung verschieden feuchter Luftmassen bis Kondensation bzw. Deposition eintritt. Initiale Wolkenteilchen entstehen in der Atmosphäre durch die Anlagerung von Wasserdampf an Kondensationskernen oder Gefrierkernen. Der Gesamtwasser- bzw. Eisgehalt einer Wolke ist von der Lufttemperatur, dem verfügbaren Wasserdampf und der Hebungsgeschwindigkeit abhängig (Wassergehalt der Wolken).
Wolken stellen bei der Bildung von Niederschlag aus Wasserdampf eine entscheidende Zwischenstufe im Wasserkreislauf dar.

Mit einem globalen Bedeckungsgrad von ca. 66% spielen Wolken im gesamten Energiehaushalt der Erde eine wichtige Rolle. Über den Albedo- und Treibhauseffekt modulieren Wolken den Strahlungshaushalt der Erde (Cloud Forcing). Durch Prozesse wie Verdunstung und Kondensation und den damit einhergehenden Transporten von Frischwasser und latenter Wärme spielen Wolken im globalen Wasserkreislauf und Wärmehaushalt eine zentrale Rolle. Die von den Wolken freigesetzte Kondensationswärme beeinflusst die atmosphärischen Zirkulationszellen, die wiederum mit dem Ozean wechselwirken (z. B. ENSO). Wolken wirken als Teil des Klimasystems somit auf dieses ein, werden aber auch umgekehrt vom Klima und seinen Veränderungen beeinflusst.

Climate System

Die Grafik enthält die Komponenten des Klimasystems und deren Interaktionen, einschließlich des menschlichen Einflusses. Alle diese Komponenten müssen als gekoppeltes System in einem Allgemeinen Zirkulationsmodell (General Circulation Model, GCM) dargestellt werden, das die Bereiche Ozeane, Atmosphäre (inkl. Wolken), Land, Kryosphäre und Biosphäre umfasst.

Seit den 1970er Jahren haben Wissenschaftler die entscheidende Bedeutung der Wolken für das Klimasystem und für den Klimawandel erkannt. Wolken beeinflussen das Klimasystem auf unterschiedliche Art und Weise. Sie erzeugen Niederschlag (Regen und Schnee), der für die meisten Lebensformen an Land notwendig ist. Sie erwärmen die Atmosphäre, wenn Wasserdampf kondensiert. Obwohl ein Teil des kondensierten Wassers wieder verdunstet, steht der Niederschlag, der die Erdoberfläche erreicht, für eine Netto-Erwärmung der Luft. Wolken haben einen starken Einfluss auf die Energieflüsse sowohl der Sonneneinstrahlung (Erwärmung des Planeten) als auch der Infrarotstrahlung (Abkühlung des Planeten durch Abstrahlung in den Weltraum) durch die Atmosphäre. Schließlich gibt es in Wolken starke Aufwinde, wodurch Luftmassen schnell von der Nähe der Erdoberfläche in große Höhen befördert werden können. Die Aufwinde transportieren Energie, Feuchtigkeit, Impuls, Spurengase und Aerosolpartikel. Über Jahrzehnte haben Klimawissenschaftler sowohl Beobachtungen als auch Modelle genutzt, um zu untersuchen, wie Wolken sich mit dem täglichen Wetter, mit dem Jahreszyklus und mit Veränderungen von Jahr zu Jahr, wie beispielsweise den mit El Niño verbundenen, verändern.

Quelle: Sciencemag / DKK

 

Wolken prägen entscheidend die Strahlungsbilanz der Erde. Durch ihr hohes Reflexionsvermögen im solaren Spektralbereich wird solare Strahlung zu einem Teil direkt in den Weltraum zurückgestreut und steht damit dem System Erdboden und Atmosphäre nicht mehr zur Verfügung (Albedoeffekt). Im terrestrischen Spektralbereich verhalten sich Wolken nahezu wie ein Schwarzer Körper. Die vom Erdboden nach oben gerichtete terrestrische Strahlung wird von den Wolken absorbiert, gleichzeitig emittieren die Wolken selbst langwellige Gegenstrahlung entsprechend der Temperatur der Wolkenuntergrenze in Richtung Erdboden. An der Wolkenobergrenze wird ebenfalls langwellige Strahlung in Richtung Weltall emittiert. Wolken tragen damit sowohl zur Abkühlung bzw. Erwärmung des Bodens und der Atmosphäre bei. Das Ergebnis der Bilanzierung beider Effekte hängt von der Höhe der Wolken, ihrer Dicke und ihren Strahlungseigenschaften ab. Diese wiederum werden von der Verteilung des Wasserdampfes, von den Wassertropfen und Eispartikeln sowie von den atmosphärischen Aerosolen beeinflusst.

Hohe, dünne Zirruswolken führen zu einer Nettoerwärmung des gesamten Systems. Ihre geringe optische Dicke bedingt eine hohe Transmissivität für die einfallende Solarstrahlung (geringer Albedoeffekt). Im langwelligen Spektralbereich sind sie stark absorbierend und emittieren dem Gesetz von Kirchhoff folgend terrestrische Strahlung. Aufgrund ihrer Lage in großer Höhe weisen sie niedrige Temperaturen sowohl an ihrer Unterseite als auch an ihrer Oberseite auf. Daher ist die zum Boden gerichtete Gegenstrahlung vergleichsweise gering. Auch die nach oben gerichtete Ausstrahlung ist verglichen mit dem wolkenlosen Fall klein (hoher Treibhauseffekt). Die Bilanz beider Effekte führt zu einer Nettoerwärmung.

Tiefe, dicke Wolke tragen zu einer Abkühlung bei. Diese Wolken haben nur eine geringe Transmissivität für die kurzwellige Einstrahlung (hoher Albedoeffekt), sind aber verhältnismäßig warm und strahlen somit im langwelligen Spektralbereich viel Energie aus (geringer Treibhauseffekt), was in der Summe zu einer Abkühlung führt. In der globalen Bilanz beider Effekte, Abkühlung und Erwärmung, liegen sie nah beieinander, insgesamt überwiegt allerdings der Effekt der Abkühlung.

Obwohl die Wolken so wichtig für das Klima und dessen Verständnis sind, ist die Kenntnis ihrer Eigenschaften noch gering. Auch deshalb stellt der IPCC-Bericht von 2001 (Stocker et al., 2001) fest, dass Wolken weiterhin die größte Quelle an Unsicherheit bei der korrekten Beschreibung des Klimas sind.

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Wolken und Fernerkundung

Wolken beeinflussen maßgeblich die Energiebilanz und damit das Klima der Erde. Wolken reflektieren Sonnenlicht im solaren Spektralbereich und emittieren aufgrund ihrer Temperatur selbst Strahlung im thermalen Spektralbereich.

Die Wolkenbeobachtung und -Messung ist aus synoptischer wie klimatologischer Sicht von großer Bedeutung. In ihrer Aussage über den Zustand der Atmosphäre liegt die Bedeutung für die Analyse und Vorhersage. Wolken spielen eine bedeutende und komplexe Rolle im Klimasystem.

Der genaue quantitative Einfluss der Wolken auf das Klima ist mit erheblichen Unsicherheiten behaftet, was auch zu Unsicherheiten in heutigen Klimamodellen führt. Wolken sind ein Vehikel im hydrologischen Zyklus, transportieren Wasser und bringen Niederschlag. Sie sind räumlich und zeitlich sehr variabel, weshalb die Satellitenfernerkundung das beste Instrumentarium zur großflächigen bis globalen Erfassung von Wolkeneigenschaften bereitstellt. Insofern ist die Fernerkundung von Wolken für die Meteorologie und die Klimaforschung von herausragender Bedeutung.

Die ersten meteorologischen Satelliten hatten fast ausschließlich die Aufgabe, eine flächendeckende und globale Übersicht über die Verteilung und auch Bewegung von Wolkensystemen zu geben. Die Lage von Wetterfronten konnte so unter anderem besser analysiert werden. Die quantitative Analyse von Wolkeneigenschaften war allerdings zunächst nicht oder kaum möglich. Mit der technischen Entwicklung wuchsen Bedeutung und Möglichkeiten der Fernerkundungssysteme und heute sind die Methoden zur physikalischen Analyse von Wolken vom Erdorbit aus dank komplexer Sensorik recht umfangreich. Dabei kommen fast ausschließlich optische Systeme in Frage. Der Mikrowellen-Fernerkundung sind lediglich makroskopische Hydro- und Kryometeore in Wolken, also der flüssige und feste Niederschlag zugänglich.

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Quelle: NASA

Von Karman-Wirbel vor der chilenischen Küste

Zwei kleine Inseln hatten im Januar 2013 große Auswirkungen im Himmel über dem Pazifik, indem sie ein Paisleymuster schufen, das sich über eine Strecke von 280 km hinzog. Das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) an Bord des NASA-Satelliten Terra machte diese Aufnahme am 13. Januar 2013.
Die Juan Fernandez-Inseln liegen etwa 800 km vor der chilenischen Küste. Die größten von ihnen - Isla Alejandro Selkirk und Isla Robinson Crusoe - sind Vulkaninseln, die sich von einem O-W-gerichteten untermeerischen Rücken erheben. Jede Insel wird von einem hohen Gipfel überragt. Isla Alejandro Selkirk besitzt eine Fläche von 52 km² und erreicht eine Höhe von 1.650 m NN. Die nur wenig kleinere Isla Robinson Crusoe hat eine Fläche von 48 km² und ragt 922 m in die Höhe.
Die Inseln sind hoch genug, um den Luftstrom über dem Ozean zu stören. Wenn ein solches Objekt die Luftbewegung behindert, bilden sich in der Luft von Karman-Wirbel an der windabgewandten Seite (Lee) des Objekts, hier der Inseln. Diese auch als Wirbelstraßen bekannten Erscheinungen sind zweireihige Wirbelfolgen, die hier durch die Wolken sichtbar werden.

 

Alle Nutzer von satellitengestützten optischen Fernerkundungsdaten müssen sich auf die eine oder andere Weise mit Wolken beschäftigen. In der Meteorologie und Klimaforschung ist man direkt an physikalischen Wolkenparametern interessiert, aber auch Eigenschaften der Erdoberfläche oder die Konzentration von atmosphärischen Spurengasen wie Ozon sind von Interesse, wobei Wolken stören. Wolken spielen also insofern eine Doppelrolle, als sie entweder Objekt des Interesses oder aber Störquellen sind. Viele Wolkenparameter können nur vernünftig aus vollständig und nicht nur teilweise bewölkten Messungen (gemessen werden Strahldichten) abgeleitet werden. Für die Berechnung vieler Oberflächenparameter dagegen braucht man sicher wolkenfreie Strahldichten. Bei Sensoren mit sehr grober räumlicher Auflösung müssen allerdings auch die Wolkenparameter meist aus teilbewölkten Strahldichten abgeleitet werden, da der Anteil der eindeutig bewölkten und auch der eindeutig wolkenfreien Messungen mit abnehmender Auflösung immer kleiner wird.

Die Analyse von Satellitendaten hinsichtlich Wolken gliedert sich daher in der Praxis in zwei Phasen. In der ersten Phase, dem so genannten „cloud clearing“ werden die Einzelsignale auf ihre Kontamination mit Wolken sowie deren Umgebung auf die räumliche Verteilung der Bewölkung hin überprüft. Diese Wolkenidentifikation enthält auch zum Beispiel die mitunter schwierige Unterscheidung von Wolken gegenüber Schnee oder direktem Sonnenreflex, also gegenüber Objekten, die zumindest in einem spektralen Bereich ähnliche Eigenschaften wie Wolken aufweisen können. Durch das „cloud clearing“ werden die Wolken einerseits als Störquellen möglichst vollständig erfasst, andererseits ist diese erste Phase wegen der dabei erzielten Vorklassifikation des Bewölkungsstatus die Voraussetzung für die Ableitung von physikalischen Parametern von Wolken, der Erdoberfläche oder der übrigen Atmosphäre. In der zweiten Phase werden dann Methoden zur quantitativen Ableitung der physikalischen Parameter unter Berücksichtigung des jeweiligen Bewölkungsstatus angewandt.

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Wolkenbedeckung

Engl. cloud cover; als bildqualitätsbezogener Parameter spielt die Wolkenbedeckung bei der Nutzung und beim Erwerb von Satellitenbildszenen eine wichtige Rolle. Optische Bilder werden durch das Vorhandensein von Wolken über dem interessierenden Gebiet gestört. Beim Kauf von archiviertem Bildmaterial stellen Betreiber eine Vorschaugrafik mit reduzierter Auflösung ("Quicklook") zur Verfügung, um vor dem Kauf zu prüfen, ob keine Wolken den interessierenden Bereich auf dem Bild verdecken. Bei der Bestellung neuer Bilder kann der Kunde einen maximalen Prozentsatz der Wolkenbedeckung verlangen. Der Kunde erhält ein geschätztes Zeitfenster für den Erwerb, wodurch die Wahrscheinlichkeit, ein wolkenfreies Bild zu erhalten, maximiert wird. Wenn die Beobachtung erfolglos bleibt, können die Satellitenbetreiber ein anderes Zeitfenster oder die Abnahme der erworbenen Bilder vorschlagen.

Wissenschaftler benötigen bei der Nutzung von Satellitenbildern oft eine wolkenfreie Sicht auf die Welt. Dies ist jedoch fast unmöglich, wenn man nur ein einziges Bild aufnimmt, da fast 70% des Globus zu einem bestimmten Zeitpunkt von Wolken bedeckt sind.

Es wurden mehrere Methoden entwickelt, um die Wolkendecke zu entfernen. Ein heute üblicher Ansatz ist die Pixelsortierung, bei der mehrere Bilder verwendet und Bilder ausgewählt werden, die nicht zu dunkel (z.B. Schatten) oder zu hell (z.B. Wolkendecke) sind. Mit der schnelleren Berechnung und der Verbesserung von Methoden des maschinellen Lernens, wie z.B. Random-Forest-Techniken, ist es viel einfacher geworden, viele Bilder nahtlos zusammenzufügen, anstatt immer nur ein Bild auf einmal. Dies hat den Vorteil der Kantenglättung, bei der die Kanten durch die Datenkombination mehrerer Bilder nahtlos erscheinen, anstatt offensichtlich zusammengeführt zu werden, wenn nur ein Bild verwendet wird. Durch das Kombinieren der Daten, selbst aus verschiedenen Jahreszeiten, beginnen die Bilder über die Zeit hinweg ähnlich auszusehen, so dass der Eindruck eines einzigen Bildausschnitts entsteht, der keine Wolkendecke aufweist. Darüber hinaus könnten Daten von verschiedenen Satellitensystemen, einschließlich Landsat, zusammen mit neueren Systemen bei den Datenfusionsmethoden verwendet werden. Bei solchen Ansätzen handelt es sich um Formen der automatisierten Klassifizierung mit Hilfe des Maschinenlernens, bei der einfach viele Bilder aufgenommen und die Szenerie auf der Grundlage von Musterbeobachtungen von Pixeln in derselben Szene über die Zeit hinweg zusammengefügt wird, wobei Ähnlichkeiten von Pixeln verglichen werden. Dies ähnelt sehr der Art und Weise, wie heute beliebte Earth Viewer wie Google Earth verwendet werden.

Wolkenradar

System zur Bestimmung von Wolkenparametern wie Unter- und Obergrenze, Tropfengrößenverteilung, Flüssig- und Eiswassergehalt mittels Radarstrahlung. Ein Wolkenradar sendet gebündelt elektromagnetische Wellen, die an Objekten in der Atmosphäre gestreut werden. Ein kleiner Teil der sich in alle Richtungen ausbreitenden Streusignale kehrt zum Radar zurück und wird dort empfangen. Aus der Laufzeit des Echos und der Richtung des Radarstrahls kann der Ort des streuenden Objekts ermittelt werden.
Das Wolkenradar ist ein gepulstes, kohärentes und in zwei Polarisationsebenen arbeitendes 35.5 GHz-Radarsystem zur Messung von Vertikalprofilen der Reflektivität, der Dopplergeschwindigkeit und der Geschwindigkeitsvarianz im Höhenbereich von 150 m bis 15 km.
Zur Beobachtung von Wolken mit Radar werden Wellenlängen im Millimeterbereich verwendet. Für längere Wellen, z.B. im Zentimeterbereich, sind Wolken praktisch transparent und damit unsichtbar. Kürzere Wellen (z.B. im optischen Bereich) werden dagegen von Wolken stark gedämpft, so dass keine Information aus dem Inneren einer Wolke erhalten werden. Im Millimeterbereich können Wolken noch durchdrungen werden, aber ein messbarer Anteil der Sendeleistung wird zum Radar zurückgestreut.
Das Wolkenradar kann so mehrere übereinander liegende Wolkenschichten erfassen. Ein herkömmliches Wetter-(Niederschlags-)Radar, das im Zentimeterbereich arbeitet, kann dagegen nur Niederschlagsteilchen (> 0,1 mm Durchmesser), nicht jedoch Wolkentröpfchen detektieren.
Die hohe räumliche und zeitliche Auflösung von Radardaten erlaubt es auch, die räumliche und zeitliche Dynamik atmosphärischer Systeme zu beobachten und zu analysieren. Moderne Radarsysteme besitzen die Fähigkeit, auch das atmosphärische Windfeld durch die Dopplerverschiebung des Radarsignals zu erfassen. Neben der Messung der Radialkomponente des Windes, genauer der Verlagerungsgeschwindigkeit von atmosphärschen Streuelementen, kann man unter bestimmten Annahmen auch das dreidimensionale Horizontalwindfeld ableiten (volume velocity processing, VVP).
Die angesprochenen atmosphärischen Systeme sind in der Regel mit Wolken und Niederschlag verbunden. Einzelne Phänomene (Böenfronten, Tornados) äußern sich auch in spezifischen Reflektivitäts- und Windmustern, ohne dass damit eine starke Wolkenbildung einhergeht.
Wolkenradare sind inzwischen wichtiger Bestandteil von Ankerstationen, da nur hiermit Mehrschichtwolken zuverlässig erfasst werden können. Zunehmend werden nicht nur vertikal blickende sondern auch steuerbare Antennen zur Volumenrepräsentation von Wolken verwendet. Für Forschungszwecke werden Wolkenradare auch an Bord spezieller Messflugzeuge eingesetzt. Schließlich wird zur globalen Erfassung von Wolken bereits seit einigen Jahren ein Radar auf dem NASA-Satelliten (CloudSat) betrieben und weitere internationale Satellitenmissionen mit Wolkenradaren sind in der Planung (z.B. EarthCare).
Wolkenradare spielen eine große Rolle bei der Erforschung des Einflusses von Wolken auf das Klima. Dieser Einfluss drückt sich aus zum einen in der Rolle, die Wolken im Strahlungstransfer durch die Erdatmosphäre spielen und zum anderen, da sie eine wichtige Verbindung im Wasserkreislauf der Erde sind.

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Wolkenscheinwerfer

Gerät zur Messung der Wolkenhöhe, wobei ein Scheinwerfer senkrecht nach oben strahlt und an der Wolkenuntergrenze einen Lichtfleck bildet. Als Wolkenhöhe wurde der hellste Punkt des Lichtkegels auf der Wolkenbasis angesehen. Er wird vom Boden aus mittels Pendelquadranten anvisiert. Aus der horizontaler Entfernung zwischen Beobachter und Wolkenscheinwerfer (meist 200 m) und dem gemessenen Winkel wird die Höhe der Wolkenuntergrenze berechnet. Heute sind Wolkenscheinwerfer weitgehend durch Ceilometer oder Ceilographen ersetzt.

Wolkentemperatur

Die Angabe der Wolkentemperatur ist abhängig von der Art der Messung. Gewöhnlich erfolgt die Temperaturmessung nicht in situ, sondern mit Fernerkundungsverfahren. Zusätzlich sind die Wolken uneinheitlich temperiert: gewöhnlich kälter an der Obergrenze und wärmer and der Untergrenze. Folglich sind die Werte für Wolken, deren Temperatur vom Weltall aus gemessen wird, gewöhnlich niedriger, als die, die vom Boden aus gemessen werden.

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Wolkenuntergrenze

Syn. Wolkenbasis; die Höhe des tiefsten Punktes einer Wolke über dem Erdboden. Sie wird in Metern über Grund gemessen. Die genaue Beobachtung und Vorhersage der Höhe der Wolkenuntergrenze ist speziell für den Sichflugverkehr besonders wichtig. Die Höhe kann mittels Wolkenscheinwerfer (veraltet) oder Ceilometer (Laufzeitmessung eines Licht- oder Radarimpulses) gemessen werden; in den Bergen ist die Bestimmung der ungefähren Höhe an bekannten Punkten der Topographie möglich. Auch aus der Steigzeit von Pilotballonen kann die Wolkenuntergrenze bestimmt werden, wenn die Steiggeschwindigkeit bekannt ist. Die Basis von Cumulus-Wolken kann auch aus der Taupunktsdifferenz bestimmt werden.

In der internationalen Luftfahrt wird die Wolkenuntergrenze in Fuß (ft) angegeben: 100ft = 30,5m. Neben der Sichtweite ist die Höhe der Wolkenuntergrenze auch für den Instrumentenflug ein wichtiges flugmeteorologisches Element. Sie ist entscheidend dafür, ob ein Start bzw. eine Landung und damit ein Flug überhaupt möglich sind. Die Wolkenuntergrenze ist in ihrer Struktur sehr unterschiedlich; es können auch kurzzeitig größere Schwankungen auftreten. Tiefliegender Stratus oder Hochnebel hat meist eine diffuse Untergrenze. Cumulus hingegen haben eine glatte Untergrenze (=Kondensationsniveau); ihre Höhe weist nur Schwankungen im Tagesgang auf. Bei stärkerem und anhaltenden Niederschlag bilden sich unter der Wolke durch Verdunstung der fallenden Regentropfen Wolkenfetzen (stratus fractus) mit einem Bedeckungsgrad von 4 bis 7/8 und schwankenden Untergrenzen. Der Tagesgang der Höhe der CU-Wolkenuntergrenze hängt von der Jahreszeit (Ausmaß der Einstrahlung) und der Stabilität der Schichtung ab. Das Ansteigen der CU-Basis über die Mittagszeit ist auf die Vergrößerung der Taupunktsdifferenz (Spread) infolge der Erwärmung durch die Sonneneinstrahlung zurückzuführen. Nachts tritt der gegegenteilige Effekt auf: Die nächtliche Abkühlung infolge Ausstrahlung verringert den Spread, die Basis sinkt ab.

Die Wolkenobergrenze muss insbesondere im Flugwetterdienst, wo die Kenntnis dieser Angabe von Bedeutung ist, aus Satellitendaten, Radardaten, Flugzeugmeldungen, Radiosondenaufstiege, Daten von Bergstationen abgeleitet werden, da es keine terrestrischen Messgeräte mit zufriedenstellenden Ergebnissen gibt.

World Climate Research Programme (WCRP)

Von internationalen Organisationen getragenes Programm zur Erforschung des Weltklimas. Die in diesem Rahmen ablaufenden Studien befassen sich auch mit den Einzelkomponenten des Klimasystems Atmosphäre, Ozeane, Kryosphäre, Landoberfläche. Fernerkundung liefert hierzu wesentliche Beiträge.

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World Data Center for Remote Sensing of the Atmosphere (WDC-RSAT)

Beim Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR seit 2003 angesiedeltes Zentrum für Fernerkundungsdaten der Atmosphäre. Vorrangiges Ziel des WDC-RSAT ist die Bereitstellung von Daten und Informationen aus vorwiegend satellitenbasierten Messungen über atmosphärische Spurengase, Wolken und die Erdoberfläche.

Die Funktion als Weltdatenzentrum wird mit den Mandaten des International Council for Science (ICSU) (seit dem Jahr 2003) und seit 2009 mit dem der Weltmeteorologischen Organisation (WMO) ausgeübt. Ein externer Fachbeirat mit Vertretern aus Raumfahrtagenturen (ESA), Wetterdiensten (DWD) und der wissenschaftlichen Forschung (HGF und DLR) wurde 2006 eingerichtet, um das WDC-RSAT bei der Erreichung seiner Missionsziele und der Erledigung von Nutzeranforderungen zu unterstützen. Der Fachbeirat wird derzeit um Vertreter von EUMETSAT, der NASA und der WMO erweitert.

Die im WDC-RSAT verfügbaren Daten- und abgeleiteten Informationsprodukte werden archiviert, dokumentiert und der internationalen Wissenschaftlergemeinde und der interessierten Öffentlichkeit über ein komfortables Internet-Portal frei und offen zugänglich gemacht. Neben eigenen Daten- und Informationsprodukten, die am DLR überwiegend auf aktuellen und abgeschlossenen europäischen Missionen (z. B. MetOp-A/B, MSG, ENVISAT, ERS-2) beruhen, wird der Zugang zu einer Vielzahl existierender satellitenbasierter Informationsprodukte weltweit ermöglicht. Hierzu existiert ein LoA (Letter of Agreement) mit der NASA, das den gegenseitigen Datenaustausch regelt.

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WorldDEMTM

Von DLR und Astrium GEO-Information Services erstellter globaler Datensatz zur Generierung von Höhenmodellen mit bisher nie dagewesener Qualität, Genauigkeit und Abdeckung, der ab 2016 für die gesamte Landmasse der Erde zur Verfügung steht - von Pol zu Pol. Die Präzision des WorldDEM™ übertrifft die jedes anderen heute verfügbaren satellitenbasierten Höhenmodells (z.B. den SRTM-DTM) und weist die folgenden einzigartigen Eigenschaften auf:

  • Vertikale Genauigkeit von 2 m (relativ) / 10 m (absolut)
  • 12 m x 12 m Raster
  • Globale Homogenität
  • Hochgradig konsistenter Datensatz aufgrund des Erfassungszeitfensters der globalen Datenbasis von nur 2,5 Jahren
  • Dank der hohen geometrischen Präzision der Sensoren sind keine zusätzlichen Passpunktinformationen erforderlich

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Vulkan Tunupa und Salzsee Salar de Uyuni, Bolivien

Durch seine Genauigkeit, Qualität und Abdeckung stellt das WorldDEM™ einen Quantensprung im Bereich der digitalen Höhenmodelle (DHM) dar. Die einzigartige Genauigkeit dieses Datensatzes übertrifft alle derzeit verfügbaren satellitenbasierten Höhenmodelle. Das WorldDEM™ wird daher den 10 Jahre alten SRTM Datensatz ablösen.

Das Beispiel-DHM links wurde auf Grundlage einer ersten Erfassung durch TerraSAR-X und TanDEM-X im bi-statischen Modus erstellt. DEs ist daher nur ein vorläufiges DHM, das durch die weitere Erfassungen optimiert wird. Diese erste Erfassung bietet jedoch bereits heute einen sehr vielversprechenden Ausblick auf die Qualität des finalen WorldDEM™, da dieser erste Überflug für Gebiete mit "einfachen" Geländeeigenschaften bereits jetzt ein Qualitätsniveau liefert, das dem der finalen Produktspezifikation sehr nahe kommt.

Quelle: Airbus D&S

 

Dazu bilden die deutschen hochauflösenden Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X zusammen ein hochpräzises Radarinterferometer im Weltall und erfassen die Datenbasis für ein globales homogenes Digitales Höhenmodell. Kunden aus Privatwirtschaft und öffentlicher Hand werden von einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten auf der Basis des WorldDEM™ Höhenmodells profitieren. Die Anwendungsbereiche sind vielfältig und reichen von optimierten Basisdaten für Orthorektifizierungsverfahren und nationale Kartierungen über eine verbesserte Vorbereitung von Verteidigungs- und Sicherheitsmissionen und optimiertes Management von Öl- und Gasfeldern bis hin zu Luftfahrt- und Infrastrukturanwendungen.

Das WorldDEMTM unterstützt:

  • Hochgenaue Orthorektifizierung
  • Verbesserung der Höheninformation in den Standard-Kartenwerken und Kartenaktualisierungen
  • Gezieltere Vorbereitung von Verteidigungs- und Sicherheitseinsätzen
  • Verbesserte international Zusammenarbeit und Missionsplanung über Grenzen hinweg
  • Genauere Vorhersage der Auswirkungen in Katastrophenfällen und verbesserte Kriseneinsatzplanung
  • Optimiertes Management von Öl- und Gasfeldern

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WorldView-1

Kommerzieller Erdbeobachtungssatellit der Firma Ball Aerospace (USA). Er wurde am 18. September 2007 von der Vandenberg Air Force Base mit einer Delta-II-Rakete gestartet.

WorldView-1 liefert aus einer Höhe von 496 km panchromatische Bilder in einer Auflösung von 0,5 m. Zusätzlich ist der dreiachsenstabilisierte Satellit und die Datenauswertung darauf ausgelegt, Änderungen in einem Gebiet gegenüber vorherigen Aufnahmen bzw. Stereobilder einer Region aufzunehmen. Vertrieben werden die Bilder in Zusammenarbeit mit der Firma DigitalGlobe, welche mit Quickbird schon einen Satelliten für ähnliche Aufgaben betreibt.

Der im Oktober 2009 gestartete WorldView-2 verfügt zusätzlich über die Möglichkeit, multispektrale Bilder in acht Spektralbereichen mit einer Auflösung von 1,8 m aufzunehmen.

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WorldView-2

Kommerzieller Erdbeobachtungssatellit der Firma Ball Aerospace (USA). Er wurde am 8. Oktober 2009 von der Vandenberg Air Force Base mit einer Delta-II-Rakete gestartet. WorldView-2 liefert aus einer Höhe von 770 km Bilder in einer Auflösung von 0,5 m (panchromatisch) und im Multispektralmodus in acht Spektralbereichen mit einer Auflösung von 1,8 m.

Zusätzlich ist der dreiachsenstabilisierte Satellit und die Datenauswertung darauf ausgelegt, Änderungen in einem Gebiet gegenüber vorherigen Aufnahmen bzw. Stereobilder einer Region aufzunehmen. Vertrieben werden die Bilder in Zusammenarbeit mit der Firma DigitalGlobe, welche mit Quickbird und WorldView-1 bereits weitere Satelliten für ähnliche Aufgaben betreibt. Digital Globe ist seinerseits Teil der sogenannten WorldView Global Alliance, einer kommerziellen Partnerschaft zwischen den Unternehmen European Space Imaging (EUSI), Space Imaging Middle East und Digital Global. EUSI betreibt in Kooperation mit dem DLR die Empfangsanlage European Direct Access Facility (EDAF). Diese Anlage ermöglicht es Satellitenbildnutzern in Europa über eine direkte Datenverbindung kurzfristig aktuelle Aufnahmen von WorldView-1 und WorldView-2 zu bestellen.

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WorldView-3

Nächster kommerzieller Satellit von DigitalGlobe und ITT Corporation, der wiederum von Ball Aerospace & Technologies Corp. gebaut wurde. Er liefert aus einer Höhe von 617 km hochaufgelöste Satellitenbilder im Multispektralmodus (8 Bänder, 1,24 m), im panchromatischen Bereich (31 cm) und im kurzwelligen Infrarot (3,7 m). WorldView-3 hat eine durchschnittliche Wiederholrate von weniger als einem Tag und ist in der Lage bis zu 680.000 km² pro Tag abzudecken. Lockheed Martin Commercial Launch Services (LMCLS) hat WorldView-3 am 13. August 2014 mit einer Atlas-V-Trägerrakete von Vandenberg (Kal.) ins All befördert.

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Links: WorldView-3 in künstlerischer Darstellung

Im Juni 2014 erhielt DigitalGlobe vom US-Handelsministerium die Erlaubnis, Bilder mit den besten verfügbaren Auflösungen zu erfassen und zu verkaufen. Darüber hinaus darf DigitalGlobe 6 Monate nach der Inbetriebnahme von WorldView-3 Bilder mit einer panchromatischen Auflösung von bis zu 25 cm und einer multispektralen Ground Sample Distance (GSD) von 1,0 m verkaufen.

Rechts: WorldView-3 Satellite Sensorspezifikationen und Spektralbänder

Quelle: Satellite Imaging Corporation

 

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WorldView-4

Früher als GeoEye-2 bekannter, kommerzieller und inzwischen inaktiver Erdbeobachtungssatellit der Firma DigitalGlobe. Er wurde am 11. November 2016 mit einer Atlas-V-401-Trägerrakete vom Raketenstartplatz Vandenberg in eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 617 km Höhe gebracht.

Mit einer Auflösung von 31 cm (panchromatisch) wird WorldView-4 ähnliche Bilder liefern wie der WorldView-3, der zum Zeitpunkt seines Starts die höchste Auflösung eines kommerziell betriebenen Satelliten besaß.

WorldView-4 wurde von der Firma GeoEye als GeoEye-2 entwickelt. Der Auftrag für den Bau von GeoEye-2 wurde im März 2010 an Lockheed Martin vergeben. Der Start des Satelliten war für Frühling 2013 geplant, wurde aber abgesagt und der Satellit eingelagert, nachdem sich das Unternehmen GeoEye mit dem Konkurrenten DigitalGlobe zusammengeschlossen hatte.

Der hexagonale und dreiachsenstabilisierte Satellit ist mit einer Kamera ausgerüstet, die eine Auflösung von 0,31 m im panchromatischen Bereich (450–800 nm) und 1,24 m im 4-Band-multispektralen Bereich (blau: 450-510 nm, grün: 510–580 nm, rot: 655–690 nm, infrarot: 780–920 nm) besitzt. Sie soll kommerzielle Bilder der Erdoberfläche für verschiedenste Einsatzzwecke liefern. Ihre Schwadbreite im Nadir beträgt 13,1 km.

Der Satellit kann Bilder bis zu 65° abseits des Nadir aufnehmen, wobei die Auslösung auf 3,5 m panchromatisch und 14 m Multispektral fällt. Er kann sehr schnell geschwenkt werden, so dass das Aufnahmegebiet in etwa 10 s um 200 km verschoben werden kann. Dadurch ist es dem Satelliten möglich, Bilder in einer Größe von 66,5 km x 112 km (fünf Streifen) und Stereobilder in einer Größe von 26,6 km x 112 km aufzunehmen und somit insgesamt 680,000 km² pro Tag.

WorldView-4 wurde auf Basis des Satellitenbus LM-900 von Lockheed Martin Space Systems gebaut und war für eine Lebensdauer von 10 bis 12 Jahren vorgesehen. Die Datenübertragung zur Erde erfolgte im X-Band mit 800 Mbit/s.

WorldView-4 kann seit dem 7. Januar 2019 durch den Verlust einer Stabilitätsachse zur Lageregelung keine brauchbaren Bilder mehr liefern.

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World View Global Alliance

Kommerzielle Partnerschaft zwischen den Unternehmen EUSI, Space Imaging Middle East und DigitalGlobe.

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Wüstenstaub

Aerosole bestehend aus Mineralien aus ariden und semiariden Gebieten, die sowohl Sonnenlicht absorbieren, wie auch Sonnenlicht streuen. Durch die Absorption erwärmen die Partikel die Atmosphärenschichten, in denen sie sich befinden. Von dieser warmen Luft wird angenommen, dass sie die Bildung von Sturmwolken hemmt. Wüstenstaub ist auch eine Nährstoffquelle für viele weit entfernte Gebiete.
Siehe auch SAMUM

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WWF und Fernerkundung

Der WWF (World Wide Fund For Nature, dt. "Welt-Naturstiftung"), ist die größte Naturschutzorganisation der Welt mit internationalem Betätigungsbereich. Der WWF hat weltweit etwa 5 Mio Förderer, rund 4.000 Mitarbeiter in etwa 100 Ländern engagieren sich in über 1.300 Natur- und Umweltschutzprojekten.
Der WWF will der weltweiten Naturzerstörung Einhalt gebieten und eine Zukunft gestalten, in der Mensch und Natur in Harmonie leben. Der WWF setzt sich weltweit ein für:

  • die Erhaltung der biologischen Vielfalt der Erde,
  • die nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen,
  • die Eindämmung von Umweltverschmutzung und schädlichem Konsumverhalten.

Bei dieser Arbeit ist der Einsatz von Fernerkundungsmethoden ein ideales Hilfsmittel, was die deutsche WWF auf ihrer Homepage ausführlich dokumentiert. Innovative Satellitenbilder und Geodaten helfen dem WWF um weltweit Ökosysteme und die biologische Vielfalt zu untersuchen, wobei eine Kooperation mit Luft- und Raumfahrtagenturen sowie Universitäten und Forschungseinrichtungen praktiziert wird.

Aktuell liegen die Schwerpunkte des WWF im Bereich Fernerkundung in folgenden Bereichen:

Weitere Informationen: