Thermalfernerkundung

Engl. thermal remote sensing; passive Form der Fernerkundung, bei der die Strahlung beobachtet wird, die von Materialien im thermalen Bereich des elektromagnetischen Spektrums (TIR) ausgesendet werden. Meist erfolgt die Beobachtung fester und flüssiger Stoffe in zwei atmosphärischen Fenstern, in denen die Absorption gering ist. Diese Fenster liegen in den Wellenlängenbereichen bei 3-5 µm und 8-14 µm.

Das Fenster zwischen 8 und 14 µm enthält das Strahlungsmaximum für die meisten Erscheinungen auf der Erde, da deren Temperatur bei etwa 300 K liegt. Ozon in der oberen Atmosphäre verursacht ein enges Absorptionband zwischen 9 und 10 µm. Um diesen Bereich zu umgehen, arbeiten Satellitensensoren meist im Bereich 10,5-12,5 µm. Systeme in Flugzeugen sind wegen deren Flughöhe deutlich unterhalb der Ozonschicht nicht betroffen und können den ganzen Bereich 8-14 µm nutzen.

Die Signale im Bereich 3-5 µm sind tagsüber in gewissem Umfang durch Sonnenreflexion beeinflusst. Daher ist es für viele Anwendungen zweckmäßig, Daten nur nachts aufzunehmen, wenn keine Störung durch Sonneneinstrahlung auftritt.

In der Erdfernerkundung ist die thermische Fernerkundung eine Methode, bei der Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) erfasst wird, um Temperaturunterschiede auf der Erdoberfläche oder in der Atmosphäre mit Satelliten, Flugzeugen oder anderen luftgetragenen Geräten zu messen.

Anhand der gemessenen Temperaturverteilungen lassen sich Informationen über Landoberflächentemperatur, Landnutzung, Feuchtezustände und thermische Prozesse gewinnen. Anwendungen umfassen beispielsweise Klimaforschung, Wettervorhersage, Landwirtschaft (Bodenfeuchte, Pflanzenstress), Bau- und Stadtplanung (Städtische Wärmeinsel), Monitoring von Vegetationsbränden, geothermische Prospektion und Wasserressourcenmanagement sowie weitere geologische Fragestellungen z. B. zu Vulkanaktivität, Hitzequellen.

Die folgende Abbildung, die am 26. Oktober 2025 von der Copernicus Sentinel-3-Mission aufgenommen wurde, zeigt die Helligkeitstemperatur (Brightness Temperature) an der Oberseite des Hurrikans Melissa, als er über das Karibische Meer in Richtung Jamaika fegte, wo er später große Verwüstungen verursachte. Der Hurrikan Melissa, der vom US-amerikanischen National Hurricane Center als Sturm der Kategorie 5 eingestuft wurde, ist der bislang stärkste Sturm des Jahres weltweit.

Die Helligkeitstemperatur der Wolken an der Oberseite des Sturms, hoch über dem Ozean, reicht von etwa –75 °C in der Nähe des Sturmauges bis zu etwa –25 °C an den Rändern. Die Temperatur des umgebenden Ozeans ist mit bis zu 25 °C deutlich wärmer. Dieses Bild wurde mit den darunter liegenden Landmassen überlagert.

Hurrikan Melissa wütet in der Karibik Quelle: ESA

Hurrikane sind Naturgewalten, die nur mit Satelliten verfolgt werden können. Diese liefern aktuelle Bilder, sodass die Behörden wissen, wann Vorsichtsmaßnahmen zu ergreifen sind. Die Internationale Charta „Weltraum und Katastrophen“ und der Copernicus-Katastrophen- und Krisendienst stützen sich auf Satellitendaten, um das Katastrophenmanagement und die Wiederaufbauarbeiten zu unterstützen. Beide Dienste wurden aktiviert, um die Teams bei der Bewältigung des Hurrikans Melissa zu unterstützen.

Satelliten liefern Informationen über das Ausmaß, die Windgeschwindigkeit und den Verlauf eines Sturms sowie über wichtige Merkmale wie Wolkendicke, Temperatur und Wasser- und Eisgehalt. Das See- und Landoberflächentemperatur-Radiometer von Sentinel-3 misst die von der Erdoberfläche abgestrahlte Energie in neun Spektralbändern.

Funktionsweise

Thermalfernerkundung ist eine passive Form der Fernerkundung, bei der die von Oberflächen im thermalen Bereich des elektromagnetisches Spektrums ausgesendete Wärmestrahlung gemessen wird. Grundlage ist, dass alle Objekte mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts selbst Strahlung emittieren, deren Intensität und Spektralverteilung von ihrer Temperatur abhängt (sogenannte Thermalstrahlung). Thermalsensoren können bildgebend oder spektral auflösend sein und liefern typischerweise Temperaturkarten der Erdoberfläche.

Thermalfernerkundung nutzt vor allem das atmosphärische Fenster im langwelligen Infrarot (zwischen etwa 8 und 14 µm). In diesem Bereich liegt das Maximum der Wärmestrahlung für die meisten natürlichen Oberflächen bei typischen Erdtemperaturen (um 300 K). Sensoren – entweder auf Satelliten oder in Flugzeugen – detektieren diese Eigenausstrahlung, ohne dass aktive Energie ausgesendet werden muss.

Tagsüber kann der thermale Bereich im kurzwelliges Infrarot (3–5 µm) durch Sonnenlicht gestört sein, daher werden häufig Nachtaufnahmen bevorzugt. Die Signalinterpretation erfordert Kenntnisse über die Emissionseigenschaften der Oberflächenmaterialien und atmosphärische Korrekturen.

Die genannten Bandbereiche stimmen mit den natürlichen Emissionsmaterialien überein, die häufig auf der Erdoberfläche zu finden sind, und liegen auch innerhalb des atmosphärischen Fensters – dem Spektralbereich, in dem die Strahlung die Atmosphäre mit minimaler Absorption Moleküle durchdringt. Dadurch eignen sich diese Bänder ideal für genaue, ununterbrochene Temperaturbeobachtungen.

Die Entwicklung der Wärmebildtechnik

Die Geschichte der Wärmebildtechnik reicht bis ins Jahr 1800 zurück, als der Astronom Sir William Herschel, bekannt für seine Entdeckung des Planeten Uranus, die Infrarotstrahlung entdeckte. Obwohl dies nicht der früheste Versuch des Menschen war, Wärme zu erkennen (rudimentäre Methoden reichen bis ins Jahr 400 v. Chr. zurück), legte Herschels Entdeckung den Grundstein für die moderne Wärmebildtechnik. Ende des 19. Jahrhunderts konnten Geräte wie das von Samuel Pierpont Langley erfundene Bolometer bereits geringfügige Schwankungen in der Wärmestrahlung erkennen, darunter auch die von einer Kuh in 400 m Entfernung abgegebene Wärme.

In den 1920er Jahren kam die Fotografie auf, mit der Infrarotlicht erfasst werden konnte, aber erst Mitte des 20. Jahrhunderts, angespornt durch den Zweiten Weltkrieg, den Koreakrieg und den Wettlauf ins All, entwickelte sich die Wärmebildtechnologie rasch weiter, vor allem für militärische und medizinische Zwecke. Der Übergang zur satellitengestützten Wärmebildgebung begann in den 1960er Jahren mit dem NIMBUS-Programm der NASA, dessen frühe Wettersatelliten mit einfachen Infrarot-Radiometern zur Messung der Wolkenoberflächentemperaturen ausgestattet waren. Diese Pionierleistungen markierten den Beginn der weltraumgestützten thermischen Fernerkundung, die später auf Bereiche wie Erdbeobachtung und Astrophysik ausgeweitet wurde.

Einen Thermalkanal bieten seit den 1980er Jahren die Satelliten Landsat (4-8), deren Daten jedoch nur eine relativ grobe räumliche Auflösung (60-100 m) besitzen. In der Copernicus- Flotte gibt es den Sentinel-3, der allerdings nur eine Auflösung von 1000 m hat, ebenso wie MODIS an Bord der Satelliten Terra und Aqua.

Thermalfernerkundung aus dem All

Auf Satelliten werden verschiedene Arten von TIR-Detektoren verwendet, um die von der Erdoberfläche abgegebene Infrarotstrahlung zu messen, beispielsweise Quantentopf-Infrarot-Photodetektoren (QWIPs) und Mikrobolometer-Arrays. QWIPs, die vom Thermal Infrared Sensor (TIRS) von Landsat 8 verwendet werden, funktionieren, indem sie Elektronen in Quantentöpfen einfangen, bis diese durch die Absorption von Infrarotphotonen in einen höheren Energiezustand angeregt werden. Die daraus resultierende Bewegung der Elektronen erzeugt ein elektrisches Signal, das zu einem Bild verarbeitet werden kann. Mikrobolometer hingegen erfassen Änderungen des elektrischen Widerstands, die durch die infrarotinduzierte Erwärmung des Sensormaterials verursacht werden. Es gibt verschiedene Detektionsmethoden und Materialien, die jeweils ihre eigenen Vorteile und Einschränkungen haben: Einige erfordern eine Kühlung für eine verbesserte Empfindlichkeit, während andere ungekühlt betrieben werden können, aber möglicherweise eine geringere Empfindlichkeit oder Auflösung bieten.

Der Satellit scannt bestimmte Bereiche der Erde, wobei Regionen mit höheren Temperaturen stärkere Infrarotsignale aussenden und somit intensivere Detektorantworten erzeugen. Diese Signale können in Thermogramme umgewandelt werden, wobei jedes Pixel einer Temperaturmessung entspricht. Thermogramme werden dann für Anwendungen wie die Messung der Landoberflächentemperatur und die Erkennung von Vegetationsbränden verwendet.

Beispielanwendung 1: Landoberflächentemperatur (LST)

Land Surface Temperature (LST)-Karten stellen die Temperatur der obersten Schichten der Erdoberfläche dar und liefern wichtige Erkenntnisse über den thermischen Zustand von Böden, Vegetation, städtischen Strukturen und Gewässern. Diese Karten werden in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt, darunter Meteorologie, Klimatologie, Hydrologie, Ökologie sowie biophysikalische und biochemische Forschung. Die LST wird mit bodengestützten Instrumenten, luftgestützten Sensoren und weltraumgestützten Plattformen ermittelt. LST-Produkte dienen auch als unabhängige Quelle für Temperaturdaten und ergänzen In-situ-Beobachtungen und Produkte der atmosphärischen Reanalyse. Damit sind sie für die Klimaüberwachung und politische Rahmenwerke wie das Pariser Abkommen der UNFCCC von entscheidender Bedeutung. Das Globale Klimabeobachtungssystem (GCOS) hat die LST daher als wesentliche Klimavariable (ECV) definiert.

Terra MODIS LST data from the MOD21 product over India on 1 December 2020 Quelle: eoPortal / NASA

LST-Karten werden erstellt, indem TIR-Messungen von Satellitensensoren durch Abrufalgorithmen geleitet werden, die verschiedene atmosphärische und Oberflächeneffekte berücksichtigen. Die von der Erdoberfläche ausgestrahlte TIR-Strahlung kann von Molekülen in der Atmosphäre absorbiert oder gestreut werden, wodurch die vom Sensor empfangenen Messungen beeinträchtigt werden. Zusätzliche Unsicherheiten ergeben sich aus dem Blickwinkel des Satelliten: Wenn der Blickwinkel des Satelliten erheblich vom Nadir abweicht, verändert sich die scheinbare Geometrie der Landoberfläche. Dies wirkt sich aufgrund von Faktoren wie Oberflächenrauheit, Neigung und gemischten Landbedeckungstypen innerhalb des Sichtfelds des Sensors auf die beobachtete Strahlung aus. Diese geometrischen Effekte müssen im Abrufalgorithmus berücksichtigt werden, um eine genaue Temperaturschätzung zu gewährleisten. Wolken stellen eine große Herausforderung dar, da sie im thermischen Infrarotspektrum weitgehend undurchsichtig sind und die Oberflächentemperaturen vollständig verdecken.

Darüber hinaus hängt die genaue LST-Bestimmung stark von der Kenntnis der Emissivität ab, also der Effizienz, mit der eine Oberfläche im Vergleich zu einem perfekten Schwarzen Körper Wärmestrahlung abgibt. Die Emissivität variiert je nach Oberflächenmaterial, Textur und Feuchtigkeitsgehalt. Um dies zu berücksichtigen, kombinieren fortschrittliche Algorithmen wie Split-Window-Techniken oder Ein-Kanal-Methoden Spektraldaten mit atmosphärischen Profilen und Landbedeckungsmodellen. Diese Methoden funktionieren am besten innerhalb des TIR-Atmosphärenfensters (typischerweise 8–14 µm), wo die Absorption durch Gase minimal ist, was genauere Oberflächentemperaturmessungen ermöglicht.

Das folgende Bild veranschaulicht eine starke Hitzwelle in weiten Teilen Südeuropas und Nordafrikas Sie hatte die Lufttemperaturen über die saisonalen Normwerte hinausgetrieben und zu weitreichenden Gesundheits- und Waldbrandwarnungen geführt.

Das Bild ist ein Mosaik aus fünf überlappenden Orbitaldurchläufen am Morgen des 29. Juni 2025, es wurde vom See- und Landoberflächentemperatur-Radiometer der Copernicus-Sentinel-3-Mission aufgenommen. Wie der Name des Instruments schon sagt, zeigt das Bild die Temperatur der Landoberfläche und nicht die Lufttemperatur. Im Gegensatz zu Lufttemperaturmessungen misst dieses Satelliteninstrument die tatsächlich von der Erdoberfläche abgegebene Wärmeenergie, die in der Regel höher ist als die Lufttemperatur.

Nicht nur die Landoberfläche ist heiß, sondern auch die Meeresoberfläche des Mittelmeers – wie das Bild anhand von Informationen des Copernicus Marine Service ebenfalls zeigt.

Südeuropa glüht zu Lande und zu Wasser Quelle: ESA

Beispielanwendung 2: Urban Heat Mapping

Städtische Wärmekarten sind spezielle Thermogramme, die sich auf Städte und bebaute Gebiete konzentrieren und eng mit LST-Karten verbunden sind. Ihr Hauptzweck ist die Überwachung von städtischen Wärmeinseln, also Gebieten innerhalb von Städten, die deutlich heißer sind als die umliegenden ländlichen Regionen. Dieser Effekt ist vor allem auf die Konzentration von wärmespeichernden Oberflächen wie Straßen und Gebäuden, reduzierte Vegetation und begrenzten Schatten zurückzuführen. Mithilfe von LST-Daten helfen diese Karten dabei, städtische Hotspots mit erhöhten Temperaturen zu identifizieren. Die Überwachung der städtischen Hitze ist wichtig, da übermäßige Hitze den Energieverbrauch erhöhen, die Luftverschmutzung verschlimmern und zu mehr Fällen von hitzebedingten Erkrankungen und Todesfällen führen kann. Eine genaue Kartierung der städtischen Hitze unterstützt eine bessere Stadtplanung, beispielsweise durch die Installation von begrünten oder gekühlten Dächern und die Schaffung von mehr Grünflächen, um die lokalen Temperaturen zu senken und die Lebensqualität zu verbessern.

Das folgende Bild ist ein Thermogramm des Albuquerque International Sunport (U.S.), erstellt mit Daten von SatVu's Satelliten HotSat-1. Der dunkle Bereich am unteren Rand des Bildes stellt einen Golfplatz dar und verdeutlicht, dass bewachsene Flächen weniger Strahlung abgeben.

Thermogramm von SatVu's Satelliten HotSat-1: Albuquerque International Sunport Quelle: eoPortal

Beispielanwendung 3: Thermische Anomalien und Schwefeldioxid (SO₂)-Produkte

Thermische Anomaliekarten werden aus LST-Daten abgeleitet und dienen dazu, Gebiete zu erkennen, in denen die Oberflächentemperaturen von den für einen bestimmten Ort und eine bestimmte Jahreszeit erwarteten Durchschnittsbedingungen abweichen. Vulkanische Aktivitäten wie Lavaströme, Kuppeln, Fumarolen und Eruptionsöffnungen führen häufig zu solchen Anomalien, insbesondere im TIR-Band 10,4–12,5 µm. Mithilfe von TIR-Satellitendaten können Forscher diese Anomalien kartieren und überwachen und so wertvolle Informationen liefern, die die Beobachtungen vor Ort ergänzen. Veränderungen in der Größe, Intensität oder Lage dieser thermischen Anomalien können als Indikatoren für sich entwickelnde vulkanische Gefahren und potenzielle Vorläufer einer Eruption dienen. Die satellitengestützte Überwachung ist besonders nützlich für die Beobachtung abgelegener oder gefährlicher Regionen, die für bodengestützte Messungen möglicherweise unzugänglich oder unsicher sind.

Thermische Anomaliekarte von Yellowstone (USA), abgeleitet aus Landsat 8 TIR-Daten Quelle: eoPortal / Yellowstone Volcano Observatory

Über thermische Anomaliekarten hinaus können TIR-Daten auch zur Abschätzung von Vulkangasemissionen verwendet werden und bieten Einblicke in die Magmaeigenschaften unter einem Vulkan. Bei Eruptionen setzen Vulkane große Mengen an Gasen wie H₂O, CO₂, SO₂ und Aerosolen frei, die Gefahren für die Luftfahrt darstellen, das Klima beeinflussen und die lokale Umwelt schädigen können. Einige dieser Gase, insbesondere SO₂, weisen im TIR-Spektrum deutliche Absorptionseigenschaften auf. Durch die Beobachtung der Strahlungsintensität der Erdoberfläche durch Vulkanwolken und die Anwendung von Abrufalgorithmen können Wissenschaftler die Gaskonzentrationen abschätzen. SO₂ beispielsweise absorbiert stark im Wellenlängenbereich von 7 bis 9 µm und erscheint als Einbruch im TIR-Spektrum. Durch den Vergleich dieser Messungen mit unbeeinflussten Gebieten kann die SO₂-Konzentration geschätzt werden. Diese Methode wurde unter Verwendung von Daten von Instrumenten wie ASTER an Bord des Terra-Satelliten der NASA zur Überwachung des Vulkans Miyakejima in Japan und MODIS an Bord von Terra und Aqua für Eruptionen am Hekla in Island und am Mount Cleveland in Alaska angewendet.

Die folgende Abbildung ist ein Drohnen-basiertes 3D-Thermophotogrammetriemodell der aktiven Krater und der Sciara Del Fuoco am Vulkan Stromboli, basierend auf einer Kombination aus RGB-Punktwolke und thermischer Infrarot-Texturkarte. Bei Verwendung der Eisenfarbpalette stehen Blau- bis Violetttöne für niedrige Temperaturen, während Gelb- bis Weißtöne wärmere Temperaturen darstellen. Die Breite des Kraters in West-Ost-Richtung beträgt 141 m. Temperaturskala von 20 bis 70 °C.

3D-Thermophotogrammetriemodell der aktiven Krater und der Sciara Del Fuoco am Vulkan Stromboli Quelle: eoPortal / University of Aberdeen

Aktive Feuer- und Strahlungsleistungsprodukte

Waldbrände, ob natürlich oder vom Menschen verursacht, haben verheerende Auswirkungen und führen zum Verlust von Menschenleben, zur Zerstörung von Eigentum und zu langfristigen Schäden für die umliegenden Ökosysteme und das Klima. Die satellitengestützte Wärmebildgebung ist ein wichtiges Instrument zur Erkennung, Verfolgung und Erforschung von Waldbränden weltweit, insbesondere in abgelegenen oder unzugänglichen Gebieten. Diese Sensoren erkennen Temperaturabweichungen im mittleren und TIR-Spektrum, identifizieren aktive Feuerfronten und berechnen die Feuerstrahlungsleistung (Fire Radiative Power, FRP), die ein Maß für die von einem Feuer freigesetzte Energie ist und zur Abschätzung der Intensität und der Emissionen verwendet wird. Mehrere wichtige Satelliteninstrumente liefern thermische Datenprodukte, die speziell für die Erkennung aktiver Brände und die FRP-Analyse entwickelt wurden.

Das Fire Information for Resource Management System (FIRMS) der NASA ermöglicht den Zugriff auf globale Satellitenbilder in nahezu Echtzeit, aktive Brände/Hotspots und zugehörige Produkte, um den Ort, das Ausmaß und die Intensität von Waldbränden zu ermitteln. Die Tools und Anwendungen von FIRMS liefern Geodaten, Produkte und Dienste, um die breitere Brandbekämpfungsgemeinschaft zu unterstützen und die Öffentlichkeit zu informieren.

FIRMS verteilt nahezu in Echtzeit (Near Real Time, NRT) aktive Branddaten vom Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) an Bord der Satelliten Aqua und Terra sowie vom Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) an Bord von SUOMI NPP, NOAA-20 und NOAA-21. Weltweit sind diese Daten innerhalb von drei Stunden nach der Satellitenbeobachtung verfügbar, für die USA und Kanada sind aktive Branderkennungen jedoch in Echtzeit verfügbar.

Globale Feuerkarte von FIRMS Quelle: NASA FIRMS, dort auch aktuelle Situation

FIRMS wurde ursprünglich von der University of Maryland mit Mitteln aus dem Applied Sciences Program der NASA und der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (UN FAO) entwickelt. Im Jahr 2012 wurde es an NASA LANCE übertragen.

Einige relevante Satellitenmissionen

Weitere Informationen:

• Thermal Imaging (eoPortal)
• Thermalfernerkundung (BGR)
• FIRMS - Fire Information for Resource Management System (NASA Earthdata)
• European Forest Fire Information System EFFIS (Copernicus)