Aktive Mikrowellensensoren (Radar)

Neben den passiv messenden Sensoren gibt es Satelliten die aktiv Mikrowellen in Richtung Erde senden. Diese werden von der Oberfläche reflektiert und vom Sensor wieder erfasst. Diese Art von Sensor wird als „Aktiver Mikrowellensensor“ oder Radar bezeichnet. Radar ist die Abkürzung für RAdio Detection And Ranging. Damit ist ein Radar ein System zur Ortung (detection) und (Distanz-)Messung (ranging). Der Sensor strahlt Mikrowellen zur Erdoberfläche aus und misst die zurückkommende Strahlung. Wie beim passiven System bestimmen die physikalischen Eigenschaften des Objektes an der Erdoberfläche die Menge und die Art der Mikrowellenstrahlung die am Sensor ankommt. Die Stärke der Rückstrahlung und die Zeitverzögerung zwischen Aussenden und Empfangen des Signals bestimmen die Distanz zum Objekt. Drei verschiedene Typen von aktiven Mikrowellensensoren werden zu Messung von Meereis eingesetzt. Beispiele von Satellitenradaren, die für Meereisstudien genutzt werden, sind der Radarsat (SAR), QuikSCAT (Scatterometer), und Cryo-Sat (Radaraltimeter).

Abbildende Radarsysteme (SAR)

Das abbildende Radarsystem liefert Bilder, die den Fotos einer Kamera sehr ähnlich sind, nur, dass die Bilder auf Radarwellen und nicht auf sichtbarem Licht basieren. Meereis reflektiert normalerweise mehr von der ausgesendeten Radarenergie als der Ozean, was es einfach macht zwischen beiden eine Unterscheidung zu treffen.
Das „normale“ Radar ist im Gegensatz zum Radiometer ein aktives Instrument, welches ein Signal aussendet und dessen Rückstreuung beziehungsweise Reflexion misst. Da Radarwellen aber gegenüber dem Licht eine viel größere Wellenlänge besitzen, müssten theoretisch unrealistisch große Antennen verwendet werden, um nur annähernd eine räumliche Auflösung der Abbildungen zu erhalten, welche den optischen Systemen eigen ist. Da solch große Antennen auf einem Satelliten nicht mitgeführt werden können, verwendet man das SAR („Synthetic Aperture Radar”): die benötigte Größe der Antenne wird dabei durch die Eigenbewegung des Satelliten, welcher eine kleine Antenne trägt, simuliert. Auf diese Weise kann eine besonders hohe räumliche Auflösung erzielt werden. Die Simulation dieser sogenannten synthetischen Apertur wird erzielt, indem die während der Flugbewegung des Satelliten empfangenen Signale gespeichert und verglichen werden. Diese künstliche Antenne ist um ein Vielfaches größer als die verwendete Antenne, weshalb die charakteristische hohe Bildauflösung erzielt werden kann.

Seit 1978 die ersten Radarinstrumente mit synthetischer Apertur (SAR) auf dem NASA-Satelliten Seasat zum Einsatz kamen, haben sich diese zu einem enorm leistungsstarken Instrument der Meereisbeobachtung entwickelt.

Im Gegensatz zu Alti- und Scatterometern, welche die Struktur und die Höhenunterschiede einer Oberfläche erfassen können, erzeugt das SAR räumlich aufgelöste Bilder. Meist wird SAR als Seitensicht-Radar verwendet, welches die Abbildung eines Streifens der Erdoberfläche parallel zur Flugrichtung erlaubt. Die resultierende Darstellung ist also der von optischen Kameras oder Scannern ähnlich. Im Gegensatz zu diesen haben SAR-Instrumente jedoch den Vorteil, Wolken durchdringen und auch nachts arbeiten zu können. Auch ist das räumliche Auflösungsvermögen gegenüber dem passiver Mikrowellenradiometer deutlich verbessert.

Die RADARSAT Mission der kanadischen Raumfahrtbehörde ist die wichtigste momentane SAR Mission. Die Interpretation der Messdaten von SAR-Instrumenten bleibt eine anspruchsvolle Aufgabe, obwohl die zweidimensionale, bildhafte Darstellung für die Interpretation sehr hilfreich ist. Im Allgemeinen ist dickeres mehrjähriges Eis einfach von jungem einjährigem Eis zu unterscheiden, weil im mehrjährigen Eis mehr Luftblasen eingeschlossen sind, wenn die Salzsole abfließt. Diese Luftblasen erhöhen die Streuung und die Depolarisation des Signals. Diese Besonderheit macht das SAR zu einem sehr hilfreichen Mittel zur Unterscheidung von dickem und dünnem Eis. SAR Instrumente können sogar kleine offene Rinnen im Meereis identifizieren. Die feine Auflösung erlaubt es die Ergebnisse zum Beispiel für die Anwendung von Schiffrouten oder in operationellen Zentren zu verwenden.

Nicht-abbildende Radarsysteme (Scatterometer)

Dieser Typ von Sensor, der Scatterometer heißt, ist ein Streulichtmessgerät. Es handelt sich dabei um einen speziellen Radarmodus, mit Hilfe dessen die Intensität der zurückgestreuten Energie als Funktion des Einfallswinkels gemessen wird. Scatterometer können täglich, sowohl tagsüber als auch nachts und sogar bei Wolkenbedeckung Daten über das Meereis liefern und zwar ungefähr mit der gleichen Genauigkeit, wie die passiven Mikrowellensensoren. Dabei macht sich das Scatterometer besonders die Oberflächenrauigkeit zu Nutzen. Das Scatterometer ist ein weitreichendes Messinstrument, zum Beispiel hat QuikSCAT eine Reichweite von 1.800 km und eine räumliche Auflösung, die im Bereich zwischen 20 und 50 km liegt. QuikSCAT liefert täglich einen globalen Blick auf Ozeanwinde und Meereis. Das Scatterometer sendet prinzipiell elektromagnetische Energie im Mikrowellenbereich (0,3 GHz - 300 GHz).

Radaraltimeter (CryoSat II)

Diese Art von Sensor ist eine Technik zur Bestimmung von Höhen über einer bestimmten Oberfläche, meist der physikalischen Erdoberfläche. Der Radar sendet gepulste Strahlen aus, welche von Eis und Wasseroberfläche reflektiert werden. In Abhängigkeit vom Abstand der Erdoberfläche zum Satelliten treffen die reflektierten Strahlen zu unterschiedlichen Zeiten wieder ein. Das dabei zuerst eintreffende Signal stammt von der, dem Satelliten am nächsten gelegenen, Stelle auf der Erdoberfläche. Herkömmliche Radaraltimeter senden Impulse in Intervallen (Zeitspannen) von 500 Mikrosekunden aus. Diese sind lang genug, um unkorrelierte (voneinander unbeeinflusste) Echos zu erhalten. Durch Mittelung vieler dieser Echos kann das Grundrauschen (Eigensignal des Geräts ohne Impuls) verringert und das Signal der Erdoberfläche herausgefiltert werden. Altimeter können die Dicke von schwimmendem Meereis bestimmen, indem sie das „Freibord“ der Eisschollen messen; das ist die Höhe, mit der das Eis über die Wasseroberfläche hinausragt. Daraus kann man wiederum die Dicke des Meereises ableiten.

Am 8. April 2010 ist der erste Satellit der Europäischen Weltraumorganisation (englisch: European Space Agency, kurz: ESA), der CryoSat II, speziell zur Vermessung des Polareises erfolgreich in den Orbit gestartet. Mit einem Bewegungsradius bis in 88 Grad nördlicher und südlicher Breite erreicht CryoSat II polnähere Gebiete als bisherige ESA-Satelliten wie beispielsweise Envisat. Er fliegt in rund 720 Kilometern Höhe. Damit werden erstmalig regelmäßige und weltweit flächendeckende Eisdickendaten aufgezeichnet.

Zudem arbeitet CryoSat II mit dem Radar-Instrument SIRAL (Synthetic Aperture Interferometric Radar Altimeter), welches wie SAR-Instrumente eine synthetische Apertur (simulierte, große Antenne) besitzt. Informationen über die Erdoberfläche werden jedoch mit Hilfe des Altimeter-Prinzips, der Höhenmessung, gewonnen. Doch die Verwendung von SAR ermöglicht eine hohe räumliche Bildauflösung im Gegensatz zu herkömmlichen Radaraltimetern in Flugrichtung. Auf diese Weise kann eine vertikale Auflösung von 1 bis 3 Zentimetern und eine horizontale Auflösung von etwa 300 Metern erreicht werden.

Im Gegensatz zu älteren Radarsatelliten wie zum Beispiel dem ERS-1 verfügt CryoSat II über zwei Radarantennen. Damit kann die Erdoberfläche zudem räumlich vermessen werden. Erst auf diese Weise wird es möglich, auf den Bildern Wasser und Eisschollen deutlich voneinander zu unterscheiden. Neben der Messung des Abstandes zur Erde wird die genaue Position des Satelliten in der Erdumlaufbahn auf wenige Zentimeter genau bestimmt. Hierfür ist CryoSat II mit speziellen Instrumenten ausgestattet: einem Funkempfänger und einem Laser-Retroreflektor.