Aus dem Weltall sehen, wie sich die Erde verändert

20.07.2022
Ein Gastbeitrag von Dr. Anja Frost, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Ölverschmutzung auf See detektieren, die Verlagerung von Prielen und Sandbänken im norddeutschen Wattenmeer beobachten, den Rückgang des arktischen Meereises bestimmen und damit einen sehr empfindlichen Indikator für den Klimawandel präzise erfassen – vom Weltall aus lassen sich diese und andere Veränderungen auf der Erde beobachten. Radarsatelliten liefern aus hunderten Kilometern Höhe großflächige Bilder der Erdoberfläche, aus denen Forscher wertvolle Informationen zum Zustand der Erde und der Meere gewinnen.

Aus dem Weltall sehen, wie sich die Erde verändert

Vor mehr als 30 Jahren wurde mit ERS-1 der erste europäische Radarsatellit in die Erdumlaufbahn gebracht. Heute liefert eine ganze Flotte von Radarsatelliten regelmäßig Bilder vom Zustand der Erde, unabhängig von Sonne und Wetter. Ermöglicht wird das durch ein sogenanntes Synthetik-Apertur-Radar. Der deutsche Satellit TerraSAR-X liefert seit 2007 besonders scharfe Aufnahmen im sogenannten X-Frequenzband mit einer Auflösung im Meterbereich.

Wie funktioniert ein Radarsatellit?

TerraSAR-X – um ihn als Beispiel zu nehmen – umkreist die Erde in einer Höhe von 514 Kilometern auf einer Umlaufbahn, die sich alle 11 Tage wiederholt. Mit einer Geschwindigkeit von 7,6 Kilometern pro Sekunde umrundet er 15-mal am Tag die Erde. Wie eine Fledermaus sendet er bei seinem Flug Mikrowellensignale aus und empfängt die von der Erde zurückgestreuten Echos. Ausgefeilte Algorithmen berechnen aus den empfangenen Echos zwei- und sogar dreidimensionale Bilder der Erdoberfläche. Das Besondere am Radar ist, dass es auch durch Wolken, Nebel und in vollkommener Dunkelheit funktioniert. Und Forscherinnen und Forscher entwickeln immer wieder neue Methoden, um den Radardaten tiefergehende Informationen zu entlocken. Hierzu zählen u. a. die Windstärke auf offener See und der Seegang.

Die Lage auf See

Je stärker der Wind, desto mehr kräuselt sich die Wasseroberfläche und desto stärker ist das Echo, das von der Wasseroberfläche zum Satelliten zurückgeworfen wird. Daraus lassen sich die Wellenhöhe und die Windgeschwindigkeit berechnen. Öl dagegen macht die Wasseroberfläche spiegelglatt und schwächt die Reflexion. Daher werden heute Radarsatelliten eingesetzt, um Ölverschmutzungen auf See und entlang der sensiblen Meeresküsten aufzuspüren.

Polare Anwendungen

Meereis erscheint im Radar anders als offenes Wasser und anders als Eisberge. Und selbst Meereis für sich betrachtet ist keine homogene Masse. Winde und Meeresströmungen können einzelne Eisschollen zusammenschieben. Hält der Druck an, stapeln sich Schollen übereinander. So entstandenes Packeis hat im Radar eine besonders charakteristische Signatur. Schmilzt das Eis an der Oberfläche, so verändert sich abermals das Radarrückstreuverhalten – und diese Eigenschaft machen sich Forschende zunutze, um wetter- und klimabedingte Veränderungen im Eis zu überwachen. In langjährigen Zeitreihen lässt sich messen und dokumentieren, wo das Meereis wie stark zurückgegangen ist oder wie schnell Grönlands Gletscher abnehmen.

ERS-1 hatte eine Betriebsdauer von 10 Jahren. Seither haben sich viele Radarsatelliten „die Klinke in die Hand gegeben“. Um auch zukünftig Veränderungen auf der Erde zu erfassen, müssen rechtzeitig neue Satelliten gebaut werden. Das DLR plant mit TanDEM-L bereits die nächste Radarsatellitenmission mit vielen Verbesserungen für die Beobachtung von Ozeanen, Wäldern und Naturgefahren.

Und hierzulande?

Wer wissen möchte, ob sich der Grund unter seinem Haus hebt oder senkt, kann einen Blick auf die Seite zum Bodenbewegungsdienst werfen. Und im europäischen Rahmen beliefern die Copernicus-Dienste Behörden und Bürger regelmäßig mit Daten zu den Bereichen Meeresumwelt, Landüberwachung, Klima und Sicherheit.
 

Die hier veröffentlichten Inhalte und Meinungen der Autorinnen und Autoren entsprechen nicht notwendigerweise der Meinung des Wissenschaftsjahres 2022 – Nachgefragt!​


Weiterführende Informationen

Mehr Informationen zum DLR finden Sie hier.

Mehr über die Forschungsstelle Maritime Sicherheit in Bremen gibt es hier.

Wo bekomme ich eine Satellitenaufnahme von meinem Haus? Hier.

 

Vita

Anja Frost ist promovierte Ingenieurin für Elektrotechnik mit Schwerpunkt auf der digitalen Signalverarbeitung. Seit 2013 arbeitet sie an der Forschungsstelle Maritime Sicherheit des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen. Das Team der Forschungsstelle ist spezialisiert auf der Entwicklung von Algorithmen, die aus Radarsignalen verschiedener Satelliten maritime Parameter wie Wind, Seegang oder Meereisdrift extrahieren.

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