Passive Sensoren für sichtbares Licht und Infrarotstrahlung
Das für unsere Augen sichtbare Licht ist der Teil der Sonnenstrahlung, der von den Objekten und Oberflächen um uns herum reflektiert wird. Dabei reflektieren helle Oberflächen (also Oberflächen mit einer hohen Albedo) einen größeren Anteil der Sonnenstrahlung als dunkle Oberflächen.
Meereis hat eine deutlich höhere Albedo als der Ozean, der das Meereis umgibt, wodurch es mit Fernerkundungssensoren für sichtbares Licht sehr einfach gemessen werden kann. Es gibt aber einige Einschränkungen für diese Art der Satellitenbeobachtung von Meereis. Da der Sensor das reflektierte Licht der Sonnenstrahlung misst, können Daten nur tagsüber erhoben werden, wenn die Sonne scheint, und nicht nachts oder während der Polarnacht. Da Wolken sichtbares Licht reflektieren, verhindert auch ein bewölkter Himmel, dass der Satellit das Meereis unter den Wolken „sehen“ und messen kann. Die eisbedeckten Polargebiete besitzen aber vor allem im Sommer eine Tendenz zu starker Bewölkung.
Aufgrund dieser Einschränkungen können Satellitensensoren, welche das reflektierte Sonnenlicht nutzen, kein lückenloses Bild der eisbedeckten Flächen geben. Der Wellenlängenbereich des nahen Infrarots (NIR), der direkt an das sichtbare Licht anschließt (700 nm – 3 µm), ist ebenfalls reflektiertes Sonnenlicht. Hier gelten die gleichen Beschränkungen wie für sichtbares Licht.
Satellitensensoren für infrarote Strahlung mit Wellenlängen von 10 µm - 12 µm (thermisches Infrarot) messen die Wärmestrahlung, die von einem Gegenstand bzw. Objekt an der Erdoberfläche emittiert wird. Objekte mit einer durchschnittlichen Temperatur zwischen -50 Grad Celsius bis +50 Grad Celsius emittieren den größten Anteil ihrer Energie in Form von thermischer infraroter Strahlung. Sensoren für thermisches Infrarot können Meereis daher vergleichsweise einfach erkennen, da das Meereis im Allgemeinen sehr viel kälter ist als der Ozean, der das Meereis umgibt. Eine typische Oberflächentemperatur von Meereis liegt im Winter zwischen -40 Grad Celsius und -20 Grad Celsius, während der Ozean zur selben Zeit eine Temperatur um den Gefrierpunkt besitzt. Das ändert sich im Sommer. Schmelzendes Meereis hat dann an der Oberfläche Temperaturen nahe am Gefrierpunkt, so dass die Sensoren es kaum noch vom ähnlich kalten Wasser des offenen Ozeans unterscheiden können. Auch Wolken verhindern eine korrekte Messung des Eises, weil sie infrarote Strahlung sowohl emittieren als auch absorbieren.
Infrarot-Sensoren, die routinemäßig zur Beobachtung der Eisbedeckung genutzt werden, haben eine räumliche Auflösung von einem bis zu mehreren Kilometern und erfassen bei einem Überflug eine Streifenbreite von einigen 100 bis über 2.000 Kilometern.
Es gibt eine Reihe von Satellitensensoren, die sowohl im sichtbaren und nah-infraroten als auch gleichzeitig im thermisch infraroten Wellenlängenbereich messen. Der MODIS Sensor ist seit knapp zwei Jahrzehnten ein gutes Beispiel für die regelmäßige und großskalige Beobachtung der Erdoberfläche in genau diesen Bereichen. Weitere Beispiele sind die Sensoren AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) und der etwas neuere Sentinel-3 (ESA). Sentinel-2 und die lange Zeitreihe an verschiedenen Landsat-Systemen (1972 bis heute) sind konzeptionell sehr ähnlich (sogenannte multi-spektrale Sensoren mit zahlreichen Kanälen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen), verfügen jedoch über eine deutlich höhere geometrische Auflösung bei gleichzeitig reduzierter zeitlicher Auflösung (d. h. seltenere Überflüge eines bestimmten Punkts auf der Erdoberfläche).
Vor allem die aus Daten des thermischen Infrarots abgeleitete Eisoberflächentemperatur ist trotz vorhandener Datenlücken wegen Wolkenbedeckung ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung der Meereisoberfläche, weil sie zudem Rückschlüsse auf die Meereisdicke zulässt – je dünner das Eis, desto näher ist die Oberflächentemperatur an der Gefriertemperatur des Ozeans. Daraus ergeben sich verschiedene wissenschaftliche Anwendungen, wie die Berechnung von dünnen Eisdicken, die Detektion von Eisrinnen oder auch die Bestimmung von räumlich hoch aufgelösten Meereiskonzentrationen.
