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Aktive Mikrowellensensoren (Radar)

Neben den passiv messenden Sensoren gibt es Satelliten, die aktiv Mikrowellen im Frequenzbereich von ca. 1 bis 20 GHz in Richtung Erde senden. Diese werden von der Oberfläche reflektiert (man sagt auch: zurückgestreut) 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 Distanzmessung (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 zum Sensor zurückkommt. Aus der Stärke der Rückstrahlung und der Zeitverzögerung zwischen Aussenden und Empfangen des Signals bestimmt man die Distanz zum Objekt. Die Stärke der Rückstreuung sagt zudem etwas über die Beschaffenheit des Objekts aus. Drei verschiedene Typen von aktiven Mikrowellensensoren werden zur Messung von Meereis eingesetzt: Radaraltimeter (z. B. Cryosat-2), Scatterometer (z.B. QuikSCAT) und Radar mit synthetischer Apertur (SAR, z.B. entinel-1A/B).

Ein abbildendes Radarsystem liefert Bilder, die den Fotos einer Kamera sehr ähnlich sind. Allerdings basieren diese Bilder auf Radarwellen – also Mikrowellenstrahlung – und nicht auf sichtbarem Licht. Meereis lässt sich dabei leicht vom Ozean unterscheiden, weil es deutlich mehr der ausgesendeten Radarenergie reflektiert als die Meeresoberfläche.

Da Radarwellen gegenüber dem Licht eine viel größere Wellenlänge besitzen, ist die räumliche Auflösung von Radaren eigentlich deutlich gröber, denn sie ist proportional zur Wellenlänge. Außerdem ist die räumliche Auflösung umgekehrt proportional zur Apertur (die Größe der Öffnung eines Instrumentes, das sichtbares Licht und Infrarot nutzt) und zur Größe der Antenne bei Mikrowelleninstrumenten wie Radar. Um vergleichbare Auflösungen wie im sichtbaren Licht zu erreichen, müssten daher für ein Radar unrealistisch große Antennen (im Kilometerbreich) verwendet werden. Da solch große Antennen auf einem Satelliten nicht mitgeführt werden können, verwendet man das SAR („Synthetic Aperture Radar” – Radar mit synthetischer Apertur). Die benötigte Größe der Antenne wird dabei durch die Flugbewegung des Satelliten, der eine kleine Antenne trägt, „simuliert“.

Je kleiner eine Antenne ist, desto weiter aufgefächert ist der Strahl, den sie aussendet. Die Antenne eines typischen Radarsatelliten (Durchmesser 1 bis 2 m) bestrahlt auf der Erde eine Fläche von ca. 50 km Durchmesser. Da der Satellit sich bewegt (mit ca. 7 km / s), wird ein Punkt auf der Erdoberfläche daher ein paar Sekunden lang vom gepulsten Radarstrahl getroffen. Das Radarinstrument kombiniert nun alle von dem Punkt an der Erdoberfläche in diesen wenigen Sekunden rückgestreuten Signale und legt dabei ca. 50 km zurück (genau so viel wie der Durchmesser der bestrahlten Fläche auf der Erde). Damit simuliert das 

System eine 50 km große Antenne. Diese „synthetische“ Antenne ist somit etwa tausend Mal größer als die „echte“, physikalische Antenne. Entsprechend ist die räumliche Auflösung auch etwa tausend Mal feiner und liegt im Bereich von Metern.

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 Altimetern 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 einen entscheidenden Vorteil: Sie können Wolken durchdringen und auch nachts arbeiten. Zudem ist das räumliche Auflösungsvermögen gegenüber dem passiver Mikrowellenradiometer deutlich verbessert.

Die Sentinel-1 Mission der europäischen Raumfahrtbehörde (englisch: European Space Agency, kurz: ESA) ist vielleicht die bekannteste laufende SAR Mission. Die Interpretation der Messdaten von SAR-Instrumenten bleibt generell 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 Schiffsrouten oder in operationellen Zentren zu verwenden.

Dieser Typ von Sensor, der Scatterometer heißt, misst die Stärke des zurückgestreuten Radarsignals (von engl. „scatter“ – streuen) und zwar in verschiedenen azimutalen Blickrichtungen bezogen auf die Flugrichtung – typischerweise schräg vorwärts, seitwärts und schräg rückwärts. Scatterometer können täglich, sowohl tagsüber als auch nachts und sogar bei Wolkenbedeckung, Daten über das Meereis liefern und das mit der ungefähr gleichen Genauigkeit wie die passiven Mikrowellensensoren (s. u.). 

Dabei macht sich das Scatterometer besonders die Oberflächenrauigkeit zunutze. Ein Beispiel ist ASCAT(Advanced SCATterometer QuikSCAT). Das ASCAT Instrument misst die Radarrückstreuung entlang zweier etwa 500 km breiter Aufnahmestreifen rechts und links des Satellitenüberflugtracks mit etwa 25 km räumlicher Auflösung. Die Radarrückstreuung der Ozeanoberfläche ist eine Funktion der Ozeanoberflächenrauigkeit und diese ist wiederum eine Funktion der oberflächennahen Windgeschwindigkeit. Ein Scatterometer benutzt Mikrowellen im Frequenzbereich von etwa 1 bis 20 GHz und liefert täglich einen globalen Blick auf das Windfeld über den Ozeanen und auf das Meereis. ASCAT ist der Nachfolger von QuickSat. Bei seiner Planung wurde ein besonderes Augenmerk daraufgelegt, die Zeitserie des Oberflächenwindvektors aus QuikSCAT Daten möglichst nahtlos fortsetzen zu können; der QuikSCAT Winddatensatz endet in 2009.

Radaraltimeter benutzen hochgenaue Radarabstandmesser um den Abstand zwischen Satelliten und der Erdoberfläche zu messen. Aus diesen Messungen lassen sich unter anderen die Zunahme des Meeresspiegels und die Änderungen der kontinentalen Eisschilde bestimmen. Dies wird erreicht durch Messungen wie sich das Höhenprofils der jeweiligen Oberflächen verändert. Diese Methodik lässt sich auch für die Bestimmung der Dicke von schwimmenden Meereis verwenden.

Dazu muss das „Freibord“ der Eisschollen bestimmter werden; das ist die Höhe, mit der das Eis über die Wasseroberfläche hinausragt. Die Bestimmung von Freibord basiert auf Abstandsmessungen sowohl über Meereisoberflächen und über Wasser in Rinnen zwischen Eisschollen. Mit den Messungen über Rinnen wird der genaue Meeresspiegel in eisbedeckten Gebieten abgeleitet.

Aus Freibord kann man wiederum die Eisdicke des Meereises ableiten, allerdings sind dafür weitere Informationen wie die Dicke der Schneeauflage im Winter sowie die Dichte von Meereis nötig. Beide Größen bestimmen das Verhältnis von Meereis-Freibord und – Dicke.

Am 8. April 2010 ist der Satellit CryoSat-2 der Europäischen Weltraumorganisation (englisch: European Space Agency, kurz: ESA), speziell zur Vermessung des Polareises erfolgreich in den Orbit (Umlaufbahn) gestartet. Mit einem Orbit, der fast über die Pole geht (polnächste Punkte bei 88 Grad nördlicher und südlicher Breite), erreicht CryoSat-2 polnähere Gebiete als bisherige ESA-Satelliten wie beispielsweise Envisat (polnächster Punkt des Orbits: circa 81.5 Grad Nord und Süd). Er fliegt in rund 720 Kilometern Höhe. Damit werden erstmalig regelmäßige und weltweit flächendeckende Eisdickendaten aufgezeichnet.

Das Radar-Instrument auf CryoSat-2 heißt SIRAL (Synthetic Aperture Interferometric Radar Altimeter), welches ähnlich wie SAR-Instrumente eine synthetische Apertur (simulierte, große Antenne) besitzt, und damit eine deutlich höhere räumliche Auflösung hat als herkömmliche Radaraltimeter. Konkret heißt dies, dass Informationen von benachbarte und überlappende Radarechos benutzt werden um die Auflösung zu erzielen, welche kleiner als die Fläche ist, welche von einem einzelnen Echo beleuchtet ist. Die horizontale Auflösung von CryoSat-2 beträgt etwa 300 Meter, verglichen mit mehreren Kilometern der Vorgänger-Radaraltimeter von Envisat und der ERS (European Remote Sensing Satellite) Satelliten. Eine hohe räumliche Auflösung ist unerlässlich für eine genaue Bestimmung der Meereisdicke.

CryoSat-2 ist ein Pioniersatellit für die Bestimmung der Meereisdicke. Seit dem Start sind aber auch andere Radaraltimeter für die Überwachung der eisbedeckten Ozeane gestartet. Insbesondere die europäischen Sentinel-3 A und B Satelliten weisen ein zu CryoSat-2 sehr ähnliches Radaraltimeter auf und ergeben ein immer dichter werdendes Netz an Beobachtungen.

Die größte Limitierung der von CryoSat-2 gewonnen Eisdickendaten ist, dass wichtige Parameter für die Umrechnung von Freibord in Eisdicke wie die Dicke der Schneeauflage nicht direkt mit gemessen werden. Diese Informationen müssen derzeit von anderen Quellen bezogen werden. Dies soll sich mit der nächsten Generation von Radaraltimetern ändern. Die Copernicus Polar Ice and Snow Topography Altimetry (CRISTAL) Satellitenmission soll 2027 starten und enthält ein Radaraltimeter, welche gleichzeitig Freibord und Schneedicke bestimmen kann. Im Vergleich zu CryoSat-2 wird auch die räumliche Auflösung noch einmal verbessert, so dass mit CRISTAL deutlich genauere Eisdickeninformationen zu erwarten sind.