EarthCARE enthüllt innere Struktur und Dynamik von Wolken

Weniger als einen Monat nach seinem Start hat der EarthCARE-Satellit von Esa und Jaxa das erste Bild eines seiner Instru­mente geliefert – ein Bild, das zum ersten Mal aus dem Weltraum die innere Struktur und Dynamik von Wolken enthüllt. Die Dynamik, also die vertikalen Bewegungen in Wolken, konnten bisher noch nicht aus dem Weltraum untersucht werden. Dieses erste Bild, das vom Wolken­profilradar des Satelliten beim Flug über Japan aufgenommen wurde, gibt einen kleinen Einblick in das volle Potenzial des Instruments, das es bietet sobald es vollständig kalibriert sein wird. Das Leibniz-Institut für Troposphären­forschung (Tropos) unterstützt die Kalibrierung dieses Instruments zusammen mit vielen Actris-Partnern in Europa durch Vergleichs­messungen mit Wolkenradaren am Boden.

EarthCARE ist mit vier hoch­entwickelten Instrumenten ausgestattet, die so konzipiert wurden, dass sie zusammen­arbeiten, um neue Erkenntnisse über die Rolle von Wolken und Aerosolen bei der Erwärmung und Abkühlung der Erdatmosphäre zu gewinnen und damit zu einem besseren Verständnis des Klimawandels beizutragen. Die ersten Daten der drei euro­päischen Instrumente des Satelliten – des Breitband­radiometers, des atmo­sphärischen Lidars und des multi­spektralen Bildgebers – werden in den nächsten Wochen und Monaten erwartet. Die Forschenden am Tropos sind auf die Inbetrieb­nahme dieser Instrumente bereits gespannt, weil sie dafür spezielle Software entwickelt haben.

Takuji Kubota, Missions­wissenschaftler der Jaxa für das Wolkenprofil­radar, sagte: „Wir freuen uns sehr, dieses erste Bild präsentieren zu können, das Details über die innere Struktur der Wolken­dynamik über dem Ozean östlich von Japan am 13. Juni zeigt. Dies ist das erste Bild seiner Art – wir haben diese Art von Informationen noch nie aus dem Weltraum gemessen. Es ist alles, was wir uns erhofft haben, und noch mehr. Ich bin überzeugt, dass das Wolken­profilradar verschiedene wissenschaftliche Entdeckungen bringen wird.“

Das Bild wird in zwei Teilen angezeigt: Auf der linken Seite zeigen die Daten die vertikale Konzentration von Wolkenpartikeln, gemessen als Radarreflexions­vermögen. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich der dichtere Teil der Wolke in ihrem Zentrum befindet, wo es mehr größere Partikel gibt. Auf der rechten Seite sehen wir die Fall­geschwindigkeit der Wolkenpartikel. Die niedrigen Werte in der oberen Schicht weisen auf Eiskristalle und Schneeflocken hin, die in der Schwebe sind oder langsam fallen. In der darunter liegenden Schicht deuten die viel höheren Fallgeschwindig­keitswerte auf Regen hin. Beide Bilder zeigen eine klare Grenze in etwa fünf Kilometer Höhe, wo Eis und Schnee schmelzen und Wasser­tröpfchen bilden, die als Regen fallen. Das Wolken­profilradar nutzt seine Doppler-Geschwindigkeit, um die vertikale Bewegungs­geschwindigkeit von Eis, Schnee und Regen zu messen.

Diese detaillierten Informationen über die Dichte, die Verteilung nach Größe und die Geschwin­digkeit der Partikel ermöglichen es den Wissenschaftlern, die Bestandteile der Wolken zu unterscheiden und so ihre Physik besser zu verstehen. Dank EarthCARE ist dies das erste Mal, dass eine solche Messung aus dem Weltraum durchgeführt wurde. Konventionell konnten diese Daten bisher nur durch Wolkenradar am Boden oder in Flugzeugen gewonnen werden. Mit diesen Methoden können nur begrenzte Gebiete gemessen werden. Mit dem Wolken­profilradar kann die Wolkenstruktur jedoch gleichmäßig über den gesamten Planeten gemessen werden.

Die Direktorin für Erdbeobachtungs­programme der Esa, Simonetta Cheli, fügte hinzu: „Dies ist ein fantastisches erstes Ergebnis unserer Jaxa-Partner und ein Vorgeschmack darauf, was wir in Zukunft erwarten können, wenn der Satellit und alle seine Instrumente vollständig kalibriert und in Betrieb genommen sind. Wir freuen uns nun auf die ersten Ergebnisse der anderen drei Instrumente von EarthCARE. Der Schlüssel zu dieser Mission liegt darin, dass alle vier Instrumente zusammen­arbeiten, um uns ein ganz­heitliches Verständnis der hochkomplexen Wechsel­wirkungen zwischen Wolken, Aerosolen, einfallender Sonnen­strahlung und ausgehender Wärme­strahlung zu vermitteln, damit wir künftige Klimatrends besser vorhersagen können.“

Eine sorgfältige Validierung der Messungen ist erforderlich, um die ehrgeizigen wissenschaftlichen Ziele der EarthCARE-Mission zu erreichen. Eine große Rolle spielt dabei die europäische Forschungs­infrastruktur ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure). Die Actris-Fernerkundungs­stationen sind für diesen Zweck bestens gerüstet: Die Standard­ausrüstung, bestehend aus einem Hochleistungs-Lidar und einem Sonnen-Photometer für Aerosol­messungen sowie einem Doppler-Radar und einem Mikrowellen­radiometer für Wolken­messungen, ermöglicht eine detaillierte Überprüfung aller EarthCARE-Aerosol- und Wolkenprodukte. „Arbeits­abläufe für die Beobachtung, die Daten­verarbeitung und die Bereitstellung von Daten in nahezu Echtzeit wurden bereits entwickelt und ausgiebig getestet. Für diesen Sommer organisieren wir eine EarthCARE-Validierungs­kampagne mit mehr als vierzig Stationen, die mehrere Monate dauern soll“, blickt Tropos-Forscher Holger Baars voraus.