Meerestopographie

Die Meeres(oberflächen)topographie (ocean surface topography, OST) stellt Schwankungen der Meeresoberflächenhöhe (SSH) gegenüber dem Geoid dar, also der Form, die die Meeresoberfläche ohne Strömungen und Gezeiten annehmen würde. OST-Messungen können langfristige Informationen über die Ozeanzirkulation, den Massen- und Wärmeinhalt, das Wetter, die Gezeiten und andere dynamische Ozeanphänomene liefern – allesamt entscheidende Faktoren für das globale Klima. Zu den praktischen Anwendungen gehören Schiffsroutenplanung, Offshore-Ölförderung, Fischerei, Such- und Rettungsaktionen, Beseitigung von Ölverschmutzungen und maritime Operationen.

Die Differenz zwischen dem aktuellen Meeresspiegel und dem Geoid beträgt ca. 1 - 2 m und bildet sich durch nichtgravitative Kräfte wie hydrostatische und hydrodynamische Vorgänge aus. Die Meerestopographie läßt deshalb grundsätzlich Rückschlüsse auf Meeresströmungen zu, ist aber mit ausreichender Genauigkeit schwierig zu bestimmen. Eine geometrische Bestimmung durch Differenzbildung von Meeresspiegel und Geoid ist nur für langwellige Strukturen sinnvoll, solange das Geoid für kurze Wellenlängen keine cm-Genauigkeit aufweist. Mit Hilfe der Bahnverfolgung von Satelliten und den Messungen der Altimetrie werden Meerestopographie und Schwerefeld gemeinsam geschätzt. Das Fehlerbudget erzwingt dabei jedoch auch eine Beschränkung der Meerestopographie auf großskalige Strukturen. Die dynamische Topographie liefert nur relative Höhen und beruht nur auf hydrostatischen Annahmen. Sie kann deshalb nur einen Teil der Meerestopographie und diesen nur relativ approximieren.

Zeitleiste mit Altimetriemissionen von
NASA und NOAA

Hinter dem Link unten finden sich kurze Erläuterungen zu den einzelnen Missionen.

Quelle: JPL PODAAC

Satellitenmessungen

Veränderungen der OST(ocean surface topography) können mit Satellitenaltimetern gemessen werden. Dabei handelt es sich um nicht bildgebende Radarsensoren, die anhand präziser Entfernungsmessungen die Höhe des Satelliten über dem Ozean bestimmen. Altimeter ermitteln diese Entfernungsdaten, indem sie das Zeitintervall zwischen der Aussendung und dem Empfang von Mikrowellenimpulsen messen. Daten mit höherer Auflösung können mit Hilfe von weltraumgestützten Synthetic Aperture Radar (SAR)-Geräten gewonnen werden, wie beispielsweise der Mission CryoSat-2 der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), die dazu beigetragen hat, den Zusammenhang zwischen dem Abschmelzen der polaren Eisschilde und dem Anstieg des Meeresspiegels zu erklären.

Die international kooperierten Altimetrie-Missionen wie Jason-1, Jason-2/OSTM, Jason-3 und Sentinel-6 sind in der Lage, den globalen mittleren Meeresspiegel mit einer Genauigkeit von mehreren Millimetern zu bestimmen. Dies wird erreicht, indem Mikrowellenimpulse von der Meeresoberfläche zurückgeworfen werden, um die altimetrische Entfernung zu ermitteln, und dann von den Umlaufbahnhöhen der Satelliten für OST-Messungen subtrahiert werden, die auf 3,3 cm relativ zum Erdmittelpunkt genau sind. Der globale mittlere Meeresspiegel kann mit einer solchen Genauigkeit bestimmt werden, nachdem eine Vielzahl von OST-Messungen über ihren 10-tägigen Wiederholungszeitraum gemittelt wurden.

Die folgende Grafik ist eine globale OST-Karte (in Metern), erstellt anhand von altimetrischen Messungen aus dem Weltraum und Daten des Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) der ESA.

Globale OST-Karte mit Hilfe von Altimetrie- und GOCE-Daten Quelle: ESA

Groß angelegte OST-Messungen, die mit Satellitenaltimetern durchgeführt werden, können die globale Ozeanzirkulation verfolgen, beispielsweise während El-Niño-Ereignissen, bei denen die westlichen Passatwinde schwächer werden und der tropische Pazifik mit warmem, nährstoffarmem Wasser überflutet wird. Im Gegensatz dazu verstärken La-Niña-Ereignisse die Passatwinde und lassen kaltes, nährstoffreiches Wasser in den tropischen Pazifik eindringen. Die Passatwinde sind vorherrschende Ostwinde, die die Erde um den Äquator umkreisen, und El Niño und La Niña sind gegensätzliche Klimaphänomene, die die globale Aufwärtsströmung der Passatwinde beeinflussen.

Auf lokaler Ebene können die von Satelliten gesammelten topografischen Informationen für die Exploration von Offshore-Ressourcen, die Erkennung von Ölverschmutzungen und die Verlegung von Pipelines auf dem Meeresboden genutzt werden. Informationen über die Ozeanzirkulation, einschließlich Strömungs- und Frontgrenzen, können mit Hilfe von weltraumgestützten SAR- oder VNIR-Bildgebern (Visible and Near Infrared) gewonnen werden, die Veränderungen der Meerestemperatur oder -farbe beobachten. Die Ozeanaltimetrie ist von unschätzbarem Wert für die Messung des Anstiegs des Meeresspiegels, was für die Überwachung der globalen Erwärmung, der Küstenstädte, der Ökosysteme und anderer menschlicher Merkmale von entscheidender Bedeutung ist.

Technologie der OST-Messung Quelle: NASA

Zur Messung von OST und SSH umfasst das verwendete Verfahren die folgenden Schritte:

Zunächst wird die Umlaufbahn des Satelliten mit hoher Genauigkeit mithilfe von GPS-Satelliten, Satellitenlaser-Entfernungsmessstationen (SLR) und Doppler-Orbitografie- und Funkortungsstationen (DORIS) bestimmt. Aus diesen Informationen lässt sich die Höhe des Satelliten über einem globalen Referenzellipsoid ableiten.
Ein an Bord des Satelliten befindlicher Radarhöhenmesser sendet Signale zur Erdoberfläche, die zum Satellitenempfänger zurückgeworfen werden, und misst deren Laufzeit.
Die altimetrische Reichweite des Satelliten – die Entfernung zwischen dem Satelliten und der Erdoberfläche – wird als ungefähr der Hälfte der Impulslaufzeit multipliziert mit der Impulsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit) bestimmt.
Die Höhendifferenz zwischen der Satellitenhöhe und der altimetrischen Reichweite ergibt die Höhe der Meeresoberfläche (SSH).
Durch Subtraktion der SSH von der bekannten Form des Geoids erhält man die OST.

Um die SSH (Meeresoberflächenhöhe) zu berechnen, sind Kenntnisse über das „Ellipsoid“ erforderlich – ein idealisiertes mathematisches Modell, das die Form der Erde als abgeflachtes Sphäroid glatt approximiert. Das Ellipsoid wird in der Geodäsie und in Satellitenortungssystemen wie GPS verwendet, um die Form und Größe der Erde zu bestimmen. Das Geoid hingegen ist eine Oberfläche mit konstantem Gravitationspotenzial, die den globalen mittleren Meeresspiegel unter Berücksichtigung der Schwankungen in der Massenverteilung des Planeten annähert. Es wird zur Messung von Abweichungen im SSH verwendet und ist für die Ozeanographie, Geodäsie und Geophysik von Nutzen.

OST wird in erster Linie durch Gezeiten und Strömungen verursacht. Gäbe es diese nicht, würde die Meeresoberfläche die Form der Äquipotentialfläche des Gravitationsfeldes der Erde (das Geoid) annehmen. Gezeiten sind langperiodische Wellen, die durch die Gravitationskräfte von Mond und Sonne entstehen. Sie haben ihren Ursprung im Ozean und bewegen sich in Richtung der Küstenlinien, wo sie als regelmäßiges Ansteigen und Abfallen der Meeresoberfläche sichtbar werden. Meeresströmungen sind kontinuierliche Strömungen von sich bewegendem Wasser, die durch Wind, Schwerkraft und Wasserdichte angetrieben werden und OST-Schwankungen verursachen können. Meeresströmungen transportieren große Mengen an Energie von den Tropen zu den Polen und mildern so das Klima in höheren Breitengraden, wodurch sie eine Verbindung zum globalen Klima herstellen. OST wird auch durch Veränderungen der Temperatur und des Salzgehalts beeinflusst – bekannt als „“sterische“ Signale, Wirbel und sich ausbreitende planetarische Wellen. Ausbreitende planetarische Wellen entstehen durch die Rotationsbewegung der Erde, wenn zwei Luftmassen mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten aufeinandertreffen und die Coriolis-Kraft sie zurückdrückt. Gravitationswellen (nicht zu verwechseln mit Gravitationswellen, die Wellen in der Raumzeit sind) breiten sich aufgrund der Rückstellkraft der Schwerkraft aus, die auf vertikale Störungen in der Atmosphäre wirkt.

Relevante Satellitenmissionen

GOCE	GOCE war eine Satellitenmission der ESA zur Geodynamik und Geodäsie, die wertvolle Daten lieferte, um das Verständnis des Erdinneren zu verbessern, das stationäre Gravitationsfeld zu bestimmen und ein hochgenaues globales Höhenreferenzsystem – das Geoid – bereitzustellen. GOCE wurde im März 2009 gestartet und wurde zum ersten weltraumgestützten Seismometer, nachdem es mit seinem Beschleunigungsmesser Infraschallwellen des japanischen Erdbebens vom März 2011 erfasst hatte. Die Mission von GOCE endete im November 2013.
ENVISAT	Envisat war eine Forschungsmission der ESA, die im März 2002 mit dem Ziel gestartet wurde, die Umwelt der Erde in verschiedenen Maßstäben zu untersuchen und zu überwachen. Sie war die Nachfolgerin der Mission ERS-1 (European Remote Sensing-1). Die Mission war mit den Instrumenten Advanced SAR (ASAR) und Radar Altimeter-2 (RA-2) ausgestattet, um InSAR-Daten zu sammeln und so die Erstellung von Verschiebungskarten und Interferogrammen der tektonischen Aktivität rund um die Erde zu ermöglichen. Envisat war 10 Jahre lang in Betrieb und lieferte der Wissenschaft eine Fülle von Daten über den Zustand unseres Planeten und den Klimawandel.
Jason-Missions	Jason (Joint Altimetry Satellite Oceanography Network) ist eine gemeinsame Konstellation der französischen Weltraumagentur (CNES) und der NASA aus drei ozeanographischen Missionen mit dem Ziel, die globale Ozeanzirkulation zu überwachen, die Verbindung zwischen Ozeanen und Atmosphäre zu verstehen, Klimaprognosen zu verbessern und Ereignisse wie El Niños und Ozeanwirbel zu beobachten. Jason-2, auch bekannt als Ocean Surface Topography Mission (OSTM), knüpfte an Jason-1 und Posiedon/TOPEX an und diente der Messung der zeitlich gemittelten Ozeanzirkulation, der globalen Veränderungen des Meeresspiegels und der Verbesserung von Ozean-Gezeitenmodellen. Die Missionen waren mit einer Reihe von Radarhöhenmessern, Radiometern und DORIS-Instrumenten für eine Vielzahl von OST-bezogenen Anwendungen ausgestattet. Für die Missionen Jason-2 und Jason-3 wurde eine Zusammenarbeit zwischen der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) und der Europäischen Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten (EUMETSAT) eingeführt.
GRACE	GRACE war eine deutsch-amerikanische geodätische Mission mit zwei Minisatelliten zur Satelliten-zu-Satelliten-Verfolgung (SST), die von März 2002 bis Oktober 2017 durchgeführt wurde. Die Mission führte K/Ka-Band-Entfernungsmessungen zwischen GRACE-1 und -2 durch, um kleine Veränderungen im Abstand zwischen den Satelliten zu erkennen und so Gravitationsfeldmessungen der Erde mit beispielloser Genauigkeit zu ermöglichen. GRACE lieferte wichtige Informationen über dynamische Prozesse auf der Erde wie Erdbeben und wurde durch die Mission GRACE-FO (Follow-On) abgelöst.
SWOT	SWOT (Surface Water and Ocean Topography) ist eine gemeinsame Mission der NASA, des CNES, der Canadian Space Agency (CSA) und der UK Space Agency (UKSA), die im Dezember 2022 gestartet wurde. SWOT sorgt für die Kontinuität der globalen Altimetrie-Messungen und knüpft an die Jason-Missionen an. Mit dem Ka-Band-Radarinstrument (KaRIn) wird SWOT die erste globale Vermessung der Oberflächenwasserressourcen der Erde in SAR-Interferometrie durchführen und damit Daten für Modelle von feinskaligen Strömungen, dem Geoid, der Bathymetrie, den Ozean- und internen Gezeiten, dem SSH, dem Meereis und der Biodiversitätsstruktur liefern.
Sentinel-6	Sentinel-6 ist eine Nachfolgemission der Altimetrie-Mission Jason-3, die von der ESA, der NASA, der NOAA und EUMETSAT entwickelt wurde. Sentinel-6 Micheal Freilich (ehemals Jason Continuity of Service Mission) ist die neue Referenz-Altimetrie-Mission für die weltweite Altimetrie-Konstellation und sorgt für die Kontinuität früherer OST-Missionen. Der 2020 gestartete Satellit ist ein unverzichtbares Beobachtungssystem für die operative Ozeanographie und saisonale Vorhersagen. Mit seinem Dualfrequenz-SAR-Höhenmesser Poseidon-4 und zwei Mikrowellenradiometern – dem Advanced Microwave Radiometer for Climate (AMR-C) und dem High-Resolution Microwave Radiometer (HRMR) – kann Sentinel-6 Messungen der mittleren Meeresspiegelhöhe, der signifikanten Wellenhöhe und der Windgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit und Präzision liefern. Die OST-Produkte und -Dienstleistungen der Mission werden von EUMETSAT betrieben. Sentinel-6 Micheal Freilich wird 2025 durch Sentinel-6B ergänzt, um die Kontinuität der SSH-Messungen zu gewährleisten.
Sentinel-3	Sentinel-3 ist eine OST-Mission im Rahmen des Copernicus-Programms der ESA, die von EUMETSAT betrieben wird und aus zwei identischen SAR-Satelliten besteht – Sentinel-3A, gestartet im Februar 2016, und Sentinel-3B, gestartet im April 2018.
TOPEX/Poseidon	TOPEX/Poseidon (kurz T/P) war das erste Raumfahrzeug, das hochpräzise globale Messungen des Meeresspiegels lieferte. Das Gemeinschaftsprojekt von NASA JPL und CNES wurde 1992 gestartet und kartografierte über 15 Jahre lang die Ozeane und ihre sich verändernde Oberflächentopografie. Die bahnbrechende Mission verbesserte unser Verständnis der Ozeanographie, der Klimamuster und der Veränderungen des Meeresspiegels erheblich. T/P war mit zahlreichen Altimetrie-Instrumenten ausgestattet, darunter dem NASA Radar Altimeter (NRA), dem TOPEX Microwave Radiometer (TMR), DORIS und dem Single-Frequency Solid State Altimeter (SSALT). Nach dem Ende seiner Mission im Januar 2006 wurde T/P von den drei Jason-Missionen abgelöst.
Haiyang-2 (HY-2)	HY-2 ist eine Konstellation von Meeresbeobachtungssatelliten, die von der chinesischen Weltraumbehörde (CNSA) und der chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie (CAST) betrieben wird und erstmals im August 2011 gestartet wurde.
ERS-1	ERS-1 (European Remote-Sensing Satellite-1) war der erste Umweltbeobachtungssatellit der ESA, der von Juli 1991 bis März 2000 eine Vielzahl von Beobachtungen durchführte, darunter auch die Weiterentwicklung der OST.

Das folgende Diagramm zeigt die Zeitachse moderner Radarhöhenmesser von den 1990er Jahren bis zum nächsten Jahrzehnt, einschließlich erwarteter oder angekündigter Missionsverlängerungen über die nominelle Lebensdauer der Satelliten hinaus. Vergangene Missionen sind rot dargestellt. Satelliten, die sich im Betrieb befinden, sind orange dargestellt. Zukünftige Missionen und unbestätigte Missionsverlängerungen sind gelb dargestellt. Diese Darstellung wird regelmäßig auf der Grundlage der neuesten Ankündigungen der jeweiligen Programme und Behörden aktualisiert.

Zeitleiste der Radaraltimetrie-Missionen Quelle: Aviso+ (dort auch die aktuellste Version)

Glossar zur Ozeanoberflächentopographie

Ozeanoberflächentopographie (OST)	die Differenz zwischen der Höhe der Meeresoberfläche (SSH) und dem Geoid. Ein umfassender Begriff, der viele damit zusammenhängende Messungen und Beobachtungen umfasst.
Höhe der Meeresoberfläche (SSH)	die Höhe der Meeresoberfläche über dem Ellipsoid, abgeleitet aus der Satellitenaltimetrie. Berechnet als Differenz zwischen der Höhe des Satelliten und der altimetrischen Reichweite.
Meeresspiegel	die durchschnittliche Höhe der Meeresoberfläche relativ zum Erdmittelpunkt.
Geoid	ein Referenzmodell mit konstanter Gravitationsäquipotentialität, das den globalen mittleren Meeresspiegel approximiert, also die Form, die der Ozean ohne OST annehmen würde.
Ellipsoid	ein mathematisches Referenzmodell, das die Erde als abgeflachten Sphäroid approximiert.
Anomalie der Meeresoberflächenhöhe (SSHA)	die Differenz zwischen der momentanen SSH und der mittleren SSH.
Anomalie des Meeresspiegels (SLA)	die Differenz zwischen dem Meeresspiegel und dem mittleren Meeresspiegel.
Mittlere dynamische Topographie (MDT)	auch bekannt als dynamische Ozeantopographie (DOT), ist die Differenz zwischen der mittleren Meeresoberflächenhöhe (MSS) und dem Geoid.

Weitere Informationen:

Ocean Surface Topography (JPL PODAAC)
NASA and NOAA Altimetric and Ocean Surface Topography Data Information (PODAAC 2020)
Ocean Surface Topography (NASA Earthdata)
Ocean Surface Topography (eoPortal)