Passive Mikrowellensensoren (Radiometer)

Eine ganzjährige Satellitenüberwachung der Eisausdehnung beruht auf Mikrowellen-Signalen. Passive Mikrowellen-Sensoren (ESMR, SMMR, SSM/I, und AMSR-E) liefern seit 30 Jahren Daten über die Meereisflächen unserer Erde aus dem All. Satellitengestützte Mikrowellenradiometer sind wichtige Instrumente für die Fernerkundung von Meereis und stellen ohne Zweifel die „Arbeitstiere“ unter den Satelliten in dieser Disziplin dar.

Jedes Objekt auf der Erde emittiert nicht nur Infrarotstrahlung, sondern auch Mikrowellen. Ein Mikrowellenradiometer misst die im Mikrowellenspektrum von der Erde und von jedem Objekt, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius liegt, emittierte natürliche Eigenstrahlung. Gerade im Mikrowellenbereich ist die Atmosphäre für viele Frequenzen transparent. Da Wolken keine Mikrowellenstrahlung emittieren, kann das Meereis ohne den störenden Einfluss der Bewölkung untersucht werden, da die Mikrowellen die Wolken durchdringen. Des Weiteren sind die Sensoren tageslichtunabhängig, was gerade in den Polarregionen unabdingbar ist und einen entscheidenden Vorteil gegenüber optischen Sensoren darstellt.

Die Emission von Mikrowellen ist im Gegensatz zu Infrarotstrahlung zudem nicht nur an die Temperatur eines Objektes, sondern auch an sein Material geknüpft. Dafür sind aber die physikalischen Eigenschaften, wie die Molekülzusammensetzung und die Kristallstruktur für die Menge der emittierten Mikrowellenstrahlung bestimmend. Die kristalline Struktur von Eis emittiert typischerweise mehr Mikrowellenstrahlung als das flüssige Wasser des Ozeans, wodurch beide vom Sensor sehr einfach unterschieden werden können. Darüber hinaus können Mikrowellenradiometer gut zwischen ein- und mehrjährigem Eis, aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften, unterscheiden. Selbst wenn das Meereis mit Schnee bedeckt ist, sind die Unterschiede für das Radiometer erkennbar, da frischer Schnee in dem verwendeten Mikrowellenfrequenzbereich durchlässig für die vom Eis emittierte elektromagnetische Strahlung ist.

Passive Mikrowellensensoren arbeiten bei Frequenzen zwischen 200 GHz und 1,4 GHz sowie mit Wellenlängen zwischen 0,15 und 20 Zentimetern. Bei diesen großen Wellenlängen ist das räumliche Auflösungsvermögen gering. Die räumliche Auflösung von den AMSR-Sensoren beträgt je nach Frequenz (7 bis 89 GHz) zwischen 50 und fünf Kilometer. Details wie zum Beispiel Rinnen sind daher nicht erkennbar. Für andere Zwecke wie etwa Bestimmung der mitleren Temperatur eines Gebietes als Eingangsgröße für ein Wettervorhersagemodell stellt die räumliche Mittelung einen Vorteil im Vergleich zu Punktmessungen mit einem Instrument vor Ort dar.

Wegen ihrer Fähigkeit Meereis durch Wolken und ganztägig zu messen, liefern passive Mikrowellensensoren ein nahezu vollständiges Bild der Meereisbedeckung in den Polargebieten. Sie sind bestens geeignet, einen weiträumigen Überblick über die globale Meereisbedeckung zu geben, zeitlich stark variable Prozesse im Meereis wiederzugeben und ermöglichen es, langfristige Veränderungen in der Meereisbedeckung zu beobachten.

Seit dem Start von Nimbus-5 (einem ESMR –„Electrically Scanning Microwave Radiometer“) im Jahre 1972 liegen die konsistentesten und detailliertesten Informationen über die großräumigen Eigenschaften und die Veränderungen der globalen Meereisbedeckung vor. 1978 startete die NASA das „Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) und ab 1987 eine Reihe von DMSP Special Sensor Microwave/Imager (/I) Sensoren.

Der Start der beiden fast identischen Systeme AMSR (an Bord des japanischen ADEOS-II, „Advanced Earth Observing Satellite II“) und AMSR-E (des NASA „Earth Observing Systems“ Aqua (EOS)) im Jahr 2002 markierte den Beginn einer neuen Ära der passiven Mikrowellenmessungen. Leider wurde im Oktober 2003 die Kontrolle über ADEOS-II beziehungsweise MIDORI-II (der Satellit, welcher AMSR trägt) verloren. Seit diesem Zeitpunkt stehen nur noch die Daten von AMSR-E zur Verfügung, welcher die von der Erde emittierten Mikrowellen im Frequenzbereich zwischen 7 und 89 GHz misst. Mit der Einführung von AMSR beziehungsweise AMSR-E zeigten sich Verbesserungen in einer erhöhten zeitlichen und räumlichen Auflösung (bis zu 5 km) und einem breiter verwendbarem Spektralbereich (was zum Beispiel die Messung zusätzlicher Parameter, wie der Eistemperatur, ermöglicht). Die Messung von AMSR-E musste im Oktober 2011 eingestellt werden. Der Nachfolger AMSR2 wurde erfolgreich am 18. Mai 2012 in die Umlaufbahn geschickt und liefert nun seit August 2012 Messdaten.

Die aktuelle Meereisausdehnung basierend auf AMSR2-Daten können auf dieser Webseite abgerufen werden, wie auch die dazugehörigen Daten und Datenprodukte über das Datenportal. Weitere Daten und regionale Karten zur aktuellen Meereisausdehnung finden sich auf der Seite des Instituts für Umweltphysik der Universität Bremen.

Seit Ende 2010 beobachtet der ESA-Satellit SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) die Erde bei 21 cm Wellenlänge entsprechend 1,4 GHz (L-Band). Bei dieser niedrigen Mikrowellenfrequenz ist eine Apertursynthese aus den Messungen von 69 einzelnen, entlang eines dreiarmigen Sterns angeordneten, Radiometern erforderlich, um eine Auflösung am Boden von 35 bis 50 km zu erreichen. Zusätzlich zu den ursprünglichen Missionszielen Bodenfeuchte und Salzgehalt des Ozeans wird aus den Beobachtungen von SMOS die Dicke des jungen Meereises bis 50 cm bestimmt.

Die Dicke von dünnem Meereis wird täglich aus Beobachtungen im L-Band des Mikrowellensensors SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity/Bodenfeuchte und Ozean Salzgehalt) in einem Beobachtungswinkel von 40° bis 50° mit zwei Polarisationen (horizontal und vertikal) abgeleitet.

Dünnes Meereis tritt während der Gefriersaison auf. In der Schmelzsaison ist die Dicke von Meereis stark variabel. Darüber hinaus ändern sich in der Arktis die Eigenschaften des Emissionsvermögens in Abhängigkeit der Oberflächenfeuchtigkeit und dem Auftreten von Schmelztümpeln. Deshalb werden die Daten für die Dicke von dünnem Meereis nur während der Gefriersaison von Oktober bis April in der Arktis und von März bis September in der Antarktis berechnet. Während der Schmelzsaison können keine sinnvollen Ergebnisse für die Meereisdicke aus SMOS Daten abgeleitet werden.

Da die Auflösung der SMOS Daten bei dem verwendeten Beobachtungswinkel ungefähr 40 km beträgt, werden nur größerer Gebiete von dünnem Meereis korrekt abgeleitet. Der in vielen Fällen zu sehende Rand von dünnem Meereis zeigt daher nicht notwendigerweise dünnes Eis, sondern kann auch durch den „Smearing-Effekt“ (engl. smear „Schmieren“) bedingt durch die geringe Auflösung verursacht sein.