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Messungen aus dem Weltall

Im Schnitt rund sieben Prozent der gesamten Ozeanfläche des Planeten sind mit Meereis bedeckt. Beobachtungen auf Schiffen oder aus der Luft mithilfe von Flugzeugen können angesichts einer so gigantischen Fläche nur kleine Ausschnitte des Gesamtbildes liefern. Wer sich also einen möglichst kompletten Überblick verschaffen will, muss viel höher hinaus. Eine ganze Reihe von Erdbeobachtungssatelliten wie etwa CryoSat-2 der Europäischen Weltraumorganisation ESA schaffen genau das. CryoSat-2 umkreist die Erde in mehr als 700 Kilometern Höhe und braucht für eine Umrundung „nur“ 99 Minuten. Der Satellit macht dabei keine einfachen Bilder wie eine Fotokamera, sondern liefert mit seinem Radaraltimeter ein präzises Höhenrelief der Ozean- und Meereisoberflächen. Seine Daten überträgt CryoSat-2 dann in das Europäische Raumflugkontrollzentrum in Darmstadt. Diese können dann von Forschenden auf der ganzen Welt genutzt werden. Dank Satelliten wie CryoSat-2 hat die Wissenschaft ein stets aktuelles Bild der globalen Meereisbedeckung. Weil die Augen im All den Planeten mehrfach am Tag umkreisen, können so auch kurzfristige Veränderungen im Eis identifiziert werden. In diesem Wissensteil stellen wir ihnen die wichtigsten meereisrelevanten Erdbeobachtungssatelliten vor und erläutern, mit welchen hochsensiblen Sensoren sie ausgestattet sind.

Als Fernerkundung bezeichnet man die Messung von Eigenschaften eines Objektes, ohne mit ihm in direkten Kontakt zu kommen. Analog zum menschlichen Auge, das Licht im sichtbaren Spektrum wahrnimmt, registriert bei der Fernerkundung ein auf einer Plattform (Flugzeug, Satellit, Flugdrohne, etc.) montierter Sensor die elektromagnetische Strahlung eines Objekts. Im Fall der Satellitenbeobachtung ist diese „Objekt“ die Erdoberfläche – und hier vor allem die Meere und das Meereis.

Die dabei gemessene Strahlung wird entweder von der Oberfläche direkt ausgesendet (emittiert) – wie zum Beispiel Wärmestrahlung (thermisches Infrarot) oder Mikrowellenstrahlung – oder sie kommt von einer anderen Strahlungsquelle und wird von der Oberfläche gestreut und reflektiert. Die Art und Weise, wie eine Oberfläche Strahlung aussendet, streut oder reflektiert, hängt von ihrem Material, ihrem Zustand und ihrer Struktur ab. Die vom Satellitensensor aufgenommenen Daten lassen also Rückschlüsse auf die Eigenschaften von Meer und Eis zu – etwa auf die Temperatur, die Eisbedeckung und die „Aufrauung“ des Meeres durch den Wind.

Grundsätzlich wird zwischen aktiver und passiver Fernerkundung unterschieden. Bei der passiven Fernerkundung werden Sensoren genutzt, welche die natürlich vorhandene Strahlung aufzeichnen. Strahlungsquelle ist hier entweder die Sonne oder das Objekt selbst, das Wärmestrahlung emittiert. Das ist vergleichbar der Aufnahme eines Fotos (also sichtbare Strahlung) ohne Blitz. Bei der aktiven Fernerkundung besitzt das System eine eigene künstliche Strahlungsquelle, die – wie eine Fotokamera mit Blitz – ein Signal aussendet und das zurückkommende Signal misst.

Typischerweise werden bei der Fernerkundung größere Flächen mit zahlreichen „Punkten“ vermessen. Eine Punkt-Messung beispielweise der Temperatur repräsentiert dabei die gemittelte Temperatur einer bestimmten Fläche, die je nach räumlicher Auflösung mehrere Quadratmeter bis Quadratkilometer groß sein kann. Die einzelnen „Punkte“ ergeben dann zusammen eine größere Fläche, die mit der räumlichen Auflösung X vermessen wurde. Wird die Fernerkundung regelmäßig wiederholt, bezeichnet das Wiederholungsintervall dann die zeitliche Auflösung der Messung.

Detaillierte Untersuchungen zur globalen Verteilung von Meereis wurden erst durch Fernerkundung mit Satelliten ermöglicht, die eine umfassende räumliche Abdeckung bei gleichzeitig relativ hoher zeitlicher Auflösung liefern. Seit 1972 existieren regelmäßige globale Meereisbeobachtungen, die im Laufe der Zeit von einer Reihe unterschiedlicher Satelliten gemacht worden sind.

Die Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, die zur Satelliten-Fernerkundung von Ozean und Meereis verwendet werden, sind

  • sichtbares Licht mit Wellenlängen von 400 nm – 700 nm
  • nahes Infrarot (NIR), Wellenlängen ca. 700 nm - 3000 nm (= 3 µm)
  • thermisches Infrarot, Wellenlängen ca. 3-15 µm
  • Mikrowellen, Wellenlängen ca. 3 mm - 1 m

In anderen Spektralbereichen wie UV (200 nm - 400 nm) oder langwelligem Infrarot ist die Atmosphäre nicht transparent genug, um die Erdoberfläche vom Satelliten aus „sehen“ zu können.

Es gibt drei prinzipielle Messmethoden für Ozean- und Meereisbeobachtungen durch Satelliten:

  1. Messungen der ankommenden Sonnenstrahlung, die an der Erdoberfläche (d. h. Ozean oder Meereis) reflektiert wird (sichtbares Licht und naher Infrarotbereich)
  2. Messungen der natürlichen thermischen Strahlung der Erdoberfläche (thermischer Infrarotbereich und Mikrowellenstrahlung)
  3. Messungen des Signals, das von einer aktiven Quelle ausgestrahlt und dann von der Oberfläche zurückgeworfen (gestreut, reflektiert) wird. Die aktive Quelle ist zum Beispiel die Antenne eines Radars, die Mikrowellen ausstrahlt, oder auch ein Laser, der sichtbares Licht oder nahes Infrarot ausstrahlt.

Bei den Messungen können drei wesentliche Komponenten der Meereisoberfläche unterschieden werden:

  1. Offenes Wasser, dünnes Meereis in Rinnen und in größeren Öffnungen im Eis (Polynyas) sowie Schmelztümpel während der sommerlichen Schmelzperiode
  2. Meereis mit, je nach Alter, unterschiedlichen Mengen an Salzeinschlüssen (Salztaschen) und Lufteinschlüssen
  3. Schnee, der sich auf dem Meereis ablagert

Die folgenden Eigenschaften dieser Komponenten haben einen Einfluss auf die Messungen bei der Fernerkundung:

  • ihr prozentualer Anteil und ihre Verteilung, bezogen auf eine bestimmte Referenzfläche
  • ihre Temperatur
  • ihr Salzgehalt und die Verteilung des Salzes in den Salzeinschlüssen
  • die Kristallstruktur des Eises und des Schnees
  • Auftreten von Schnee- und Eisschichten, sowie die Oberflächenrauigkeit (z. B. Eisrücken, salzreiche Frostblumen, Eisschollen)
  • Meereisbewegung (Drift)

Darüber hinaus gibt es zahlreiche Variablen, die durch das Fernerkundungsinstrument selbst vorgegeben werden und einen erheblichen Einfluss auf die Messungen haben, wie unter anderem die Frequenz (Wellenlänge) der Strahlung oder der Einfallswinkel der Strahlung.

Satelliten können Meereis im sichtbaren und infraroten Bereich, wie auch im Mikrowellenbereich (Radiometer und Radar) des elektromagnetischen Spektrums messen. Jede dieser Methoden hat Vor- und Nachteile und kein Spektralbereich erlaubt es, alle Bereiche des Meereises gleichermaßen optimal und für alle Bedingungen zu messen. Bei der Suche nach einem geeigneten Sensor für eine bestimmte Anwendung muss also immer sorgsam abgewogen werden, welche Eigenschaften besonders wichtig für die spezifische Fragestellung ist. Für großflächige Untersuchungen (z. B. tägliche Beobachtung der gesamten Arktis) spielt es zum Beispiel oft weniger eine Rolle, ob der Sensor nun räumlich mit 3,6 oder 12 km auflöst. Für die lückenlose Abdeckung eines so großen Gebietes ist es aber unbedingt notwendig, dass der Satellit die Zielregion möglichst häufig überfliegt und vermisst.

Alle fernerkundungsbasierten Methoden beinhalten viele verschiedene Unsicherheiten, die die Qualität der Endprodukte deutlich beeinflussen. Daher ist die Abschätzung dieser Unsicherheiten ein integraler Bestandteil der Fernerkundung von Meereis und oft eine größere Herausforderung als die Ableitung der Meereisparameter selbst.

Zu den Hauptquellen für Unsicherheiten zählen zum Beispiel die vom Sensor abhängige Messgenauigkeit („wie nah am tatsächlichen Wert“) und Messpräzision („geringe Abweichungen bei wiederholten Messungen desselben Ziels“). Weiterhin können Sensoren einen konstanten oder nicht-konstanten Versatz („offset“) der Messwerte aufweisen, was vor allem in letzterem Fall (z. B. durch die Abnutzung des Sensors) zu negativen Effekten wie etwa künstlichen Trends führt, die nur schwer von natürlichen Trends zu unterscheiden sind. Weiterhin gibt es potentielle Fehlerquellen durch zahlreiche Annahmen und Vereinfachungen in den Modellen, mit denen die vom Sensor gemessenen Größen in die geophysikalischen Meereisvariablen (also z. B. Eisbedeckung, Eisdicke, Schneeauflage) überführt / umgerechnet werden. Zudem spielen dabei die Umweltbedingungen und Oberflächeneigenschaften / Heterogenitäten eine große Rolle, da sich diese mehr oder weniger auf die Messungen auswirken können.

Während sich einige dieser Unsicherheiten und Fehlerquellen bereits durch theoretische Überlegungen abschätzen lassen, spielen für den Großteil der satellitenbasierten Messungen sogenannte Validierungs-Experimente eine zentrale Rolle. Dabei vertraut man meist auf eine duale Strategie: Direkt auf dem Meereis versucht man ein möglichst detailliertes Wissen über jene physikalischen Eigenschaften des Meereises zu gewinnen, die in Bezug auf die verschiedenen Messverfahren eine Rolle spielen. Die Erhebung dieser Referenzdaten ist meist im Rahmen von Schiffsexpeditionen (z. B. mit dem Forschungseisbrecher Polarstern) möglich. Um allerdings die so auftretende Skalen-Lücke zwischen sehr lokalen Punktmessungen und großskaligen Satelliten-Messungen zu schließen, setzt man meist auf die Nutzung von Flugzeugen und Helikoptern. Diese können oft mit satellitenähnlichen Sensoren bestückt werden, was dann in Folge durch die geringe Flughöhe für einen verminderten Effekt der Atmosphäre und eine deutlich erhöhte räumliche Auflösung führt. Auch dabei gibt es natürlich zahlreiche Herausforderungen (z. B. die Anzahl repräsentativer Validierungsmessungen) und neue Unsicherheiten, die es zu berücksichtigen gilt. Je nach Zustand und Alter eines Satellitensensors können im Laufe des Betriebszeitraums mehrere Validierungskampagnen nötig sein.

Quelle: Spreen, G., Kern, S. (2017): Methods of satellite remote sensing of sea ice. In: Thomas, D.N., Sea ice (3rd Ed.), Wiley & Sons, Ltd, 2017. – ISBN 9781118778371, 239–260 (Ch.9).

Messverfahren

Die aktuell um die Erde kreisenden Erdbeobachtungssatelliten nutzen verschiedene Messverfahren, die alle ihre ganz eigenen Stärken und Schwächen haben. Passive Sensoren, die im sichtbaren Spektrum des Lichts messen, liefern Daten mit hoher räumlicher Auflösung, brauchen aber einen freien Blick auf die Erdoberfläche und – natürlich – die Sonne. Deshalb sind sie nachts und bei Bewölkung blind. Passive Mikrowellensensoren können dagegen auch nachts messen, weil Objekte auch ohne Sonne Mikrowellen aussenden. Außerdem absorbieren Wolken fast keine Mikrowellenstrahlung, sind also für die Sensoren praktisch durchsichtig. Nachteil der Mikrowellenmessung ist jedoch ihre vergleichsweise grobe räumliche Auflösung – feinere Details wie etwa Rinnen im Eis lassen sich nur schwer erkennen. In Kombination ergeben die unterschiedlichen Messverfahren aber ein sehr vollständiges, detailliertes und zeitlich hoch aufgelöstes Bild des Planeten und  der Meereisbedeckung, ohne das eine moderne Umwelt- und Klimaforschung kaum möglich wäre.