Photons on the rocks
Photonenzähler erlauben präzise satellitengestützte Höhenbestimmung zur Messung der Eisdicke in Polregionen.
Die Veränderungen der Eisbedeckung in Arktis und Antarktis sowie der Rückgang der Gletscher gehören zu den dramatischsten und offensichtlichsten Folgen des klimatischen Wandels auf unserem Planeten. Klimaforscher wünschen sich deshalb möglichst exakte Höhenprofile, um ihre Modellen mit dieser Entwicklung abgleichen zu können. Im Jahr 2017 soll deshalb der Satellit ICESat-2 in den Orbit gebracht werden, dessen Hauptinstrument ein Photonenzähler-Lidar sein wird, das Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS).
Abb. 1: Mit dem Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar (MABEL) testeten NASA-Forscher das neue System zur weltraumgestützten Höhenmessung von Eisregionen. (Bild: NASA / T. Williams)
ICESat-2 soll die Topographie der gesamten Erde vermessen. Hierzu gehören auch Regionen mit starker Vegetation sowie die Ozeane. Der Fokus der Mission liegt jedoch auf den Polargebieten, in denen sich die stärksten klimabedingten Veränderungen abzeichnen. Dort gibt es sehr verschiedene Arten von Eis, insbesondere Inlandeis und salzhaltige Meereisdecken, die sich in ihrer Lichtreflexion unterscheiden.
Auch der Vorgängersatellit ICESat-1, der von 2003 bis 2009 in Betrieb war und 2010 kontrolliert abstürzte, nutzte Laserstrahlung zur Messung von Höhenprofilen. Seine Messmethode basierte allerdings auf der Intensität des zurückgeworfenen Laserstrahls und benötigte deshalb viele Photonen und etliche Überflüge. Mit der neuen Methode, die bislang noch nie von Satelliten aus eingesetzt wurde, sollen wesentlich umfangreichere und präzisere Höhenprofile bei weniger Überflügen entstehen. Da Eis je nach Dichte, Alter und Zusammensetzung auch noch aus einer gewissen Tiefe Photonen reflektiert, ist hierfür eine gute Kenntnis des Photonenprofils vonnöten.
Ein Team von NASA-Forschern hat Testflüge mit einem ER-2-Höhenforschungsflugzeug über Grönland durchgeführt, um das System zu prüfen und zu kalibrieren. Als Demonstrator für den ICESat-2-Lidar nutzten sie das Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar, kurz MABEL. Das Instrument sendet zwei Nanosekunden lange Laserpulse mit einer Wellenlänge von 532 Nanometern und ist in der Lage, die Flugdauer einzelner rückgestreuter Photonen zu bestimmen.
Abb. 2: Das Instrument MABEL ist ein Technologiedemonstrator für die Satellitenmission ICESat-2. (Bild: NASA / K. Brunt)
Das Laserlicht wird in sechs Einzelstrahlen zu drei Paaren aufgeteilt, die in je 3,3 Kilometer Entfernung die Erde überstreichen. Die Rate der Mikropulse liegt bei zehn Kilohertz, womit alle siebzig Zentimeter Flugstrecke eine Messung stattfindet. Mit MABEL konnten die Forscher an Eishängen Neigungen von gerade einmal vier Grad nachweisen. Die erreichbare Präzision in der Höhenbestimmung schätzen sie auf rund zwei Zentimeter vom Flugzeug und zehn Zentimeter aus dem Orbit.
Mit der Grönlandkampagne deckten die Forscher unterschiedliche Geländetypen ab. Damit konnten sie nun passende Algorithmen entwickeln, um den Höhenunterschied zwischen offenem Wasser und verschiedenen Eistypen ausrechnen und darüber die Eisdicke bestimmen zu können. Anhand der rückgestreuten Photonendichte lässt sich etwa bestimmen, ob es sich um Wasser, dünnes Eis, glattes Eis oder schneebedecktes Eis handelt. Kommenden Sommer sind weitere Höhenflugkampagnen über Gletschern und über wärmeren Wasserströmungen geplant, um das Schmelzen von Eis besser zu verfolgen.
Dirk Eidemüller
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