Lexikon der Fernerkundung

Ozeane und Fernerkundung

Die Ozeanfernerkundung (engl. ocean remote sensing) ist ein Teilbereich der Gewässerfernerkundung, der sich unter zivilem und militärischem Blickwinkel mit dem Zustand der Ozeane und deren Wechselwirkungen mit anderen Segmenten der Erdsystems befasst und dabei Fernerkundungstechnologien einsetzt.

Ozeane bedecken rund 71 % der Erdoberfläche und entziehen sich alleine durch diese Größe einer bloßen Erforschung und Beobachtung mit nur punktuell möglichen in situ-Methoden (z.B. verankerte Bojen), sondern sind ideales Objekt für den Einsatz großflächiger Fernerkundung mit bei Bedarf hoher temporaler Auflösung.

Ozeane sind für uns wichtig als Nahrungs- und Rohstoffquelle. Darüber hinaus dienen sie als Transportwege, sind von entscheidender Bedeutung für die Bildung von Wettersystemen und die CO2-Speicherung, und sie sind ein wichtiges Glied im Wasserkreislauf der Erde. Das Verständnis für die Ozeandynamik ist wichtig für die Abschätzung der Fischvorräte, für die Planung von Schiffsrouten, für die Vorhersage von Auswirkungen von Phänomenen wie ENSO, für die Vorhersage und Beobachtung von Stürmen um die Schadenswirkungen auf Schifffahrt, Offshore-Aktivitäten (z.B. Ölförderung, Windkraftanlagen) und Küstensiedlungen zu reduzieren. Aus diesen Gründen gehören zum Studium der Ozeandynamik unter anderem die Informationsgewinnung über Wind und Wellen (Richtung, Geschwindigkeit, Stärke), die Tiefenmessung (Bathymetrie), die Wassertemperatur und die Produktivität der Ozeane (Primärproduktion).

Küsten sind ökologisch empfindliche Schnittstellen zwischen Meer und Land und reagieren auf Veränderungen, die durch wirtschaftliche Erschließungsmaßnahmen, Landnutzungsänderungen hervorgerufen werden. Oft sind Küstenstreifen biologisch vielfältige Gezeitenzonen. Küsten sind häufig stark urbanisiert. Über 60 % der Weltbevölkerung leben in Meeresnähe, was die Küsten unter starken anthropogenen Stress setzt.

Aus diesen Gründen benötigen Behörden weltweit verlässliche Monitoring-Daten um Veränderungen durch Küstenerosion, Verlust natürlicher Habitate, Verstädterung, Abwassereintrag und Belastungen im Offshorebereich zu dokumentieren. Viele Aspekte der Dynamik des offenen Ozeans und der Küstenregionen können mit Hilfe von Fernerkundung überwacht und kartiert werden. Satellitenbasierte Messmethoden für Ozeanparameter decken fast die gesamte Bandbreite der derzeitigen Satelliten aus realisierbaren Verfahren ab.

Im optischen Bereich kartieren schmalbandige Radiometer und Spektrometer in mehreren Spektralkanälen die Wasseroberfläche. Dabei ist reines Wasser nur in dem Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 750 nm "durchsichtbar". In diesem Bereich können Schwebstoffe (z.B. Sedimentbildner), Chlorophyll (Plankton, Algen) und weitere organische und anorganische Inhaltsstoffe gemessen werden. Im thermischen Bereich des Spektrums wird die Oberflächentemperatur der Meere gemessen. Bei der Kartierung der Ozeane kommt es meist auf eine globale und tägliche Abdeckung an. Optische Sensoren haben deshalb eine große Streifenbreite (swath width) bei geringerer geometrischer Auflösung (z.B. 1150 km bei 300 bzw. 1200 m Auflösung in 15 Spektralkanälen bei MERIS auf dem inzwischen inaktiven ENVSISAT).

Optische Verfahren

Der Operational Land Imager (OLI) auf Landsat 8 machte die folgende Aufnahme von den Algenkulturen in den flachen Gewässern um Sisan Island am 31. Januar 2014. Heutzutage werden weltweit ca. 80 % der für den menschlichen Verzehr produzierten Algen in Algenfarmen angebaut. Verglichen mit anderer Nahrungsmittelproduktion spricht man der Algenproduktion in Aqua- oder Marikulturen einen kleinen ökologischen Fußabdruck zu, da sie kein Frischwasser oder Dünger benötigt.

Die dunklen rechteckigen Strukturen in diesem Bild sind Felder mit Meeresalgen, hauptsächlich der Arten Undaria und Pyropia. Beide Arten sind wichtiger Bestandteil der traditionellen Küche in Korea, China und Japan.

Entlang der Küste Südkoreas werden Algen oft an Seilen angebaut, die von Bojen an der Oberfläche gehalten werden. Diese Methode gewährleistet eine ausreichende Lichtzufuhr bei Hochwasser und vermeidet das Schleifen auf dem Boden bei Niedrigwasser.

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Quelle: NASA Earth Observatory

Ergänzende Informationen:

Mikrowellenverfahren

Radarsensoren als Altimeter eingesetzt vermessen die Meerestopographie. Die von 1992 bis 2006 operierende amerikanisch/französische Mission TOPEX/Poseidon konnte Höhenunterschiede von 4 cm vermessen. Meeresströmungen und Oberflächenwinde lassen sich somit abschätzen. Die Messungen werden seither mit den moderneren Missionen Jason-1 (2001-13), Jason-2 (2008-2019), Jason-3 (ab 2015) und Sentinel-6 (ab 2020) fortgesetzt.

Aktive abbildende Radarsensoren (Synthetic Aperture Radar, SAR) werden, beginnend mit dem amerikanischen SEASAT, seit 1978 eingesetzt, um die Oberfläche der Ozeane und der polaren Eisflächen zu kartieren. Da Wasser für Mikrowellen wie ein Spiegel wirkt, pausen sich regelmäßige Wellenmuster auch noch in den SAR-Bildern durch. Die Muster lassen Rückschlüsse auf die Wellenhöhen, die Wellenrichtung und die Geschwindigkeit des Windes an der Oberfläche zu. Anwendung finden solche Analysen z.B. in der optimalen Positionierung von Offshore-Windfarmen oder auch beim Aufspüren von Ölflecken auf den Meeren, was über die beochtbare Dämpfung der Oberflächenwellen funktioniert.

Erfassung vo Extremwellen

Während des Sturms Eddie (Dezember 2024) haben Satelliten durchschnittlich fast 20 Meter hohe Meereswellen gemessen – die höchsten, die jemals aus dem Weltraum gemessen wurden. Darüber hinaus können Satellitendaten nun zeigen, dass Meereswellen als „Boten“ von Stürmen fungieren: Selbst wenn ein Sturm niemals auf Land trifft, können seine Wellen große Entfernungen zurücklegen und zerstörerische Energie an weit entfernte Küsten bringen.

Modelle zeigen nun auch, dass die höchsten Wellen der letzten 34 Jahre im Januar 2014 auftraten, als der Atlantiksturm Hercules 23 Meter hohe Wellen erzeugte, die von Marokko bis Irland schwere Schäden verursachten.

Angetrieben vom Wind sind Wellen während Stürmen am stärksten, doch die größte Gefahr für Küstengebiete geht oft nicht vom Sturm selbst aus, sondern von den langen Wellen, die die Wellenenergie weit über die Reichweite des Sturms hinaus transportieren.

Diese langen Wellen breiten sich über die Ozeane aus, und ihre Eigenschaften – wie die Wellenperiode oder die Zeit zwischen den Wellenbergen – geben Aufschluss über die Größe und Stärke des Sturms. Eine Periode von 20 Sekunden bedeutet beispielsweise, dass alle 20 Sekunden eine große Welle eintrifft.

Um neue Erkenntnisse über Sturmwellen und Meereswellen zu gewinnen, kombinierte ein durch die Climate Change Initiative (CCI) der ESA finanziertes Forschungsteam Daten des relativ neuen französisch-amerikanischen SWOT-Satelliten mit den jahrzehntelangen Aufzeichnungen des CCI-Projekts „Sea State“, das Messungen seit 1991 umfasst.

Diese Aufzeichnungen vereinen Daten von Satelliten wie SARAL, Jason-3, Copernicus Sentinel-3A und -3B, Copernicus Sentinel-6 Michael Freilich, CryoSat und CFOSAT.

Erfassung extremer Wellen Erfassung extremer Wellen

Um neue Erkenntnisse über Sturmwellen und Meereswellen zu gewinnen, kombinierte ein durch die Climate Change Initiative (CCI) der ESA finanziertes Forschungsteam Daten des relativ neuen französisch-amerikanischen SWOT-Satelliten mit den jahrzehntelangen Aufzeichnungen des CCI-Projekts „Sea State“, das Messungen seit 1991 umfasst.

Diese Aufzeichnungen vereinen Daten von Satelliten wie SARAL, Jason-3, Copernicus Sentinel-3A und -3B, Copernicus Sentinel-6 Michael Freilich, CryoSat und CFOSAT.

Quelle: ESA

Beispiele für ozeanbezogene Fernerkundungsanwendungen:

Die folgende Visualisierung zeigt oberflächennahe Meeresströmungen rund um den Globus während der Zeit vom Juni 2005 bis zum Dezember 2007. Die Visualisierung enthält keinen gesprochenen Kommentar oder sonstigen Anmerkungen, ledigliche eine musikalische Untermalung. Es war das Ziel, Daten der Meereströmungen zu verwenden, um eine einfache, intuitive Erfahrung zu ermöglichen.

Zur Erstellung der Visulisierung wurden für dieses gemeinsame MIT/JPL-Projekt (ECCO2) gewaltige Mengen an Daten und Algorithmen eingespeist. Die vom ECCO-Projekt verwendeten Daten beziehen sich auf folgende Parameter und Missionen:

Perpetual_Ocean

Zum Start der Animation auf Grafik klicken.

Die Beständigkeit der Meere

Zur Erstellung der Visulisierung wurden für dieses gemeinsame MIT/JPL-Projekt (ECCO2) gewaltige Mengen an Daten und Algorithmen eingespeist. ECCO2 benutzt das numerische MIT-Modell der Allgemeinen Zirkulation (MITgcm) um Satelliten- und in situ-Daten der Weltmeere zusammen zu führen.

Die Auflösung des Modells erlaubt die Darstellung von ozeanischen Wirbeln und anderen relativ kleinskaligen Strömungssystemen, die Wärme und Kohlenstoff in den Ozeanen transportieren. ECCO2 enthält Daten zu Ozeanströmungen in allen Tiefen, aber in dieser Visualisierung sind nur die Oberflächenverhältnisse dargestellt.

Die dunklen Muster unter den Ozeanen stellen die Tiefenverhältnisse dar. Die topographische Überhöhung auf Land besitzt den Faktor 20, die der Bathymetrie Faktor 40.

Quelle: NASA GFSC

Weitere Informationen:

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