atmosphärische Sounder

Atmosphärische Sounder messen wie sich die physikalischen Eigenschaften einer Luftsäule mit zunehmender Höhe verändern. Diese Messung wird manchmal als „Profil“, „Sounding“ oder „Retrieval“ bezeichnet. Der Begriff „Sounder“ bezieht sich ursprünglich auf die Messung von Temperatur und Salzgehalt, wie sie im Ozean mit Schallwellen durchgeführt wird. „Retrieval“ bezieht sich auf die Verwendung eines Computeralgorithmus, um das Profil aus den gemessenen Daten zu extrahieren.

Zu den von atmosphärischen Soundern gemessenen physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre zählen unter anderem die Temperatur, Feuchtigkeit, der Druck, Windgeschwindigkeit sowie die Konzentrationen von Gasen wie Ozon und Wasserdampf. Diese Daten liefern dreidimensionale Karten der atmosphärischen Eigenschaften, die dazu beitragen, numerische Wettermodelle und das Verständnis von Wetterphänomenen zu verbessern und das Wissen über den Klimawandel zu erweitern.

Solche Messungen werden auf verschiedene Weise durchgeführt, darunter Fernerkundung und In situ-Beobachtungen. Die gängigste In-situ-Sondierung ist eine Radiosonde, bei der es sich in der Regel um einen Wetterballon handelt oder auch um eine Raketensonde.

Atmosphärische Sondierungsmessungen von Satelliten aus werden in Säulen mit einer Grundfläche von typischerweise 5 bis 50 km² durchgeführt. Sounder messen die Strahlungsemissionen von Molekülen in der Luft zwischen dem Satelliten und der Erdoberfläche, wobei die Intensität der erfassten Strahlung die Höhe innerhalb der Atmosphäre angibt. Jeder Spektralkanal reagiert empfindlich auf unterschiedliche Absorptionsband-„Signaturen” verschiedener Moleküle, sodass mehrere Merkmale in unterschiedlichen Höhen bestimmt werden können.

Die Temperatur von Gasmolekülen steht in direktem Zusammenhang mit ihrer Schwingung und Bewegung, wodurch sie Strahlung absorbieren und emittieren, die von Soundern gemessen werden kann. Durch die Messung der von bestimmten Gasen emittierten Strahlung können wir also deren Temperatur messen. Sauerstoff- und Kohlendioxidemissionen werden aufgrund ihrer relativ gleichmäßigen Verteilung in der Atmosphäre häufig zur Ermittlung von Temperaturprofilen verwendet, während Wasserdampfemissionen für Feuchtigkeitsprofile herangezogen werden.

Sounder verwenden entweder Wellenlängen im Mikrowellen- oder im Infrarotbereich (IR) für ihre Messungen. Mikrowellensounder sind IR-Soundern insofern überlegen, als sie durch Wolken hindurch messen können, jedoch ist ihre räumliche Auflösung in der Regel geringer als die von IR-Soundern.

Sondierungen unterscheiden sich von anderen sichtbaren und infraroten Satellitenbildern, die nicht durch Wolken „sehen“ können und nur ein einziges Bild erstellen können. Zu den Forschungsanwendungen gehören die kurzfristige Vorhersage von Unwettern, die Untersuchung von Feuerwetter und die Überwachung des Ferntransports von Rauch.

Beispielprodukt 1: Community Long-Term Infrared Microwave Combined Atmospheric Product System (CLIMCAPS)

Das Community Long-Term Infrared Microwave Combined Atmospheric Product System (CLIMCAPS) ist ein Archiv für Sondierungsdaten, das im NASA-Datenzentrum gehostet wird. Es unterstützt mehrere operative Produkte, die Daten nahezu in Echtzeit liefern, darunter das Unique Combined Atmospheric Processing System (NUCAPS) der National Oceanic Atmospheric Administration (NOAA). Alle Produkte verwenden Daten, die von mehreren Satellitenmissionen gesammelt wurden, darunter JPSS-1, JPSS-2, MetOp und Aqua.

Beispielprodukt 2: Mehrfeld-Sondierungsbilderbilder

Die Sondierungsdaten können auch in Form von gekachelten Bildern jeder spektralen Band- (Kanal-)Erfassung dargestellt werden. Auf diese Weise können Benutzer jeden Kanal einzeln interpretieren, um die Eigenschaften der Atmosphäre besser zu verstehen. Diese Daten enthalten nur die von jedem Kanal empfangenen Signale und wurden noch nicht verarbeitet, um die physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre abzuleiten. Die folgende Darstellung enthält GOES-15-Bilder, aufgenommen am 10. Februar 2021, mit allen Frequenzbändern des Sounder-Instruments.

GOES-15-Bilder mit allen Frequenzbändern des Sounders Quelle: eoPortal

Relevante Satellitenmissionen

NOAA POES & MetOp	Das POES-Programm (Polar Orbiting Environmental Satellites) ist eine gemeinsame Initiative der NASA, der NOAA und internationaler Partner in Europa. Dazu gehören die Europäische Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten (EUMETSAT) sowie Organisationen in Frankreich, Kanada und Großbritannien. Seit dem ersten Start der Mission im Jahr 1998 überwachen fünf Satelliten kontinuierlich die Atmosphäre, die Wassermassen, das Ozon und die Weltraumumgebung. Die Satelliten sind insgesamt mit vier Messinstrumenten ausgestattet: der Advanced Microwave Sounding Unit A und B (AMSU-A & -B), dem Microwave Humidity Sounder (MHS) und dem High Resolution Infrared Sounder (HIRS). Diese Instrumente sind auch an Bord der europäischen MetOp-Satelliten, die erstmals 2006 gestartet wurden. Darüber hinaus verfügt MetOp über das Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), das die Feuchtigkeit und Temperatur der Troposphäre sowie den integrierten Gehalt an Ozon, Kohlenmonoxid, Methan, Lachgas und anderen geringfügigen Gasen, die die Chemie der Troposphäre beeinflussen, misst.
MetOP-SG	MetOp-SG (Meteorological Operational Satellite – Second Generation) ist eine Serie von sechs Wettersatelliten, die als Nachfolger der MetOp-Serie dienen werden. Die Mission wird von der ESA und EUMETSAT entwickelt und ist in zwei verschiedene Serien unterteilt, MetOp-SG-A und -B. MetOp-SG-A wird das Infrarot-Atmosphären-Interferometer der neuen Generation (IASI-NG) und den Mikrowellen-Sensor (MWS) mitführen.
JPSS Series & Suomi-NPP	Der Cross-Track Infrared Sounder (CrIS) wird auf allen vier Missionen des Joint Polar Satellite System (JPSS) der NOAA sowie auf der Mission Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi-NPP) eingesetzt, die gemeinsam von der NASA und der NOAA betrieben wird. CrIS wurde erstmals 2011 an Bord von Suomi-NPP gestartet und liefert Profile der atmosphärischen Temperaturen, des Wasserdampfs und der Spurengase mit einer horizontalen räumlichen Auflösung von 14 km und einer vertikalen Schichtauflösung von 1 km. Das Instrument verfügt über 1300 Spektralkanäle im mittleren Infrarotbereich (MWIR) und im thermischen Infrarotbereich (TIR).
MTG (Meteosat Third Generation)	Mit dem Start seines ersten Satelliten im Dezember 2022 ist MTG eine Satellitenkonstellation, die gemeinsam von der ESA und EUMETSAT geleitet wird, um die Wettervorhersagefähigkeiten zu verbessern. Die Konstellation besteht aus Satelliten, die für Bildgebungs- (MTG-I) und Sondierungsbeobachtungen (MTG-S) vorgesehen sind. Die MTG-S-Satelliten sind mit einem Infrarot-Sensor (IRS) und einem Ultraviolett-Sichtbar-Nahinfrarot-Sensor (UVN) ausgestattet. Der IRS beobachtet über 10 Spektralbänder im Bereich von 12 bis 45 MHz, um Kohlendioxid, Ozon, Wasserdampf, Methan, Lachgas und Stickstoffmonoxid zu beobachten. Der MTG-S1 startete am 1.7.2025.
GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite)	Die Konstellation der geostationären operationellen Umweltsatelliten (GOES) ist das geostationäre meteorologische Satellitenprogramm der Vereinigten Staaten, das seit 1975 in Betrieb ist. Sounder waren Teil der Instrumentenausstattung der Satelliten GOES-8 bis GOES-15, die zwischen 1994 und 2010 gestartet wurden. Der GOES-Sender misst die emittierte Strahlung in 18 thermischen Infrarotbändern, die empfindlich auf Temperatur, Feuchtigkeit, Ozon und reflektierte Sonnenstrahlung in einem sichtbaren Band reagieren. Seine räumliche Auflösung beträgt 8 km, wobei 13-Bit-Daten an die GOES-Empfangsanlagen übertragen werden.
GeoXO	GeoXO wurde als Nachfolger der GOES-R-Serie entwickelt und wird verbesserte Wetter-, Luftqualitäts- und Ozeanüberwachung bieten, um den Gefahren durch extremes Wetter und den Klimawandel zu begegnen und so die öffentliche Sicherheit und den Umweltschutz zu verbessern. Die GeoXO Central-Satelliten werden mit einem Hyperspektralsensor (GXS) ausgestattet sein, der kontinuierlich atmosphärische Daten wie Temperatur, Feuchtigkeit und Ozon erfasst. Das Instrument ist der erste IR-Hyperspektralsensor, der eine kontinuierliche Abdeckung der Vereinigten Staaten ermöglicht. GXS nutzt 1.550 Spektralbänder, um detaillierte atmosphärische Daten zu sammeln und so die Beobachtung kontinuierlicher Spektren zu ermöglichen.
Aqua	Aqua (früher bekannt als EOS/PM-1) wurde 2002 gestartet und wird von der NASA als Teil ihres Erdbeobachtungssystems (EOS) betrieben. Es wird gemeinsam von der NASA, dem brasilianischen Institut für Weltraumforschung (NIPE) und der japanischen Weltraumagentur (JAXA) finanziert und hat die Aufgabe, den Wasserkreislauf der Erde zu untersuchen. Aqua ist mit drei Messinstrumenten ausgestattet: dem Atmospheric Infrared Sounder (AIRS), der Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU) und dem Humidity Sounder for Brazil (HSB). AIRS beobachtet über 2378 Spektralbänder mit einem Frequenzbereich von 19 bis 80 GHz. AMSU beobachtet über 15 Spektralbänder (50 bis 60 GHz), die spezifisch für die Absorptionslinien von Sauerstoff sind. HSB beobachtet über vier Spektralbänder mit einer Frequenz von 183,3 GHz, die der Absorptionslinie von Wasserdampf entspricht.
Aura	Aura (ehemals EOS/Chem-1) ist eine Chemie-Mission der NASA mit dem übergeordneten Ziel, die Chemie und Dynamik der Erdatmosphäre vom Boden bis zur Mesosphäre zu untersuchen. Aura wurde im Juli 2004 gestartet und ist nach Terra und Aqua die dritte EOS-Mission der NASA. Aura ist mit zwei Messinstrumenten ausgestattet: dem hochauflösenden Dynamik-Limb-Sounder (HIRDLS) und dem Mikrowellen-Limb-Sounder (MLS). HIRDLS ist ein Spektralradiometer für das mittlere Infrarot, das zur Untersuchung der oberen Troposphäre, Stratosphäre und Mesosphäre in 21 Kanälen zwischen 6 und 18 µm entwickelt wurde. MLS misst die thermische Emission aus dem Randbereich der Atmosphäre in Spektralbändern im Submillimeter- und Millimeterbereich.
FY-3 (FengYun-3)	FY-3 ist eine Serie von fünf Satelliten, die von der chinesischen Wetterbehörde (CMA) und der chinesischen Weltraumbehörde (CNSA) betrieben werden und deren Aufgabe es ist, Temperaturen, Wolken, Anomalien in der Biosphäre sowie meteorologische und hydrologische Ereignisse zu überwachen. FY-3 wurde erstmals 2008 gestartet. Jedes Raumfahrzeug ist mit 12 Instrumenten ausgestattet, darunter vier Atmosphären-Sondengeräte. Diese Sondengeräte dienen dazu, globale Daten über die Temperatur, Feuchtigkeit, Ozonwerte und Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre unter allen Wetterbedingungen zu sammeln.
Weitere Missionen	- FY-4 (FengYun-4) - Meteor-M series: -1, -2, 2-2 - INSAT-3D, EDS and -3DR - DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) Block 5D

Weitere Informationen:

Atmospheric Sounders (eoPortal)
Sounding Products (NASA)