25.10.2019

Umweltdaten aus dem All erfassen

Neue Möglichkeiten und Herausforderungen für die Erfassung von Klimaparametern mit Radarsatelliten.

Es ist heute kein Geheimnis mehr, dass sich unsere Umwelt seit Beginn der Industrialisierung rasanter verändert als je zuvor. Die deutschen Satelliten­missionen TerraSAR-X und TanDEM-X liefern seit 2007 und 2010 einzigartige Erd­beobachtungs­daten, aus denen reichhaltige Erkenntnisse über unsere Umwelt gewonnen werden können. Wissenschaftliche Nutzer aus der ganzen Welt sind am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen zusammengekommen, um im Rahmen des „TerraSAR-X und TanDEM-X Science Meetings“ die aus den Daten gewonnenen Ergebnisse auszutauschen und Anforderungen an künftige Fern­erkundungs­technologien zu formulieren. In mehr als hundert Präsentationen offenbarte sich vom 21. bis 24. Oktober 2019 der neueste Stand der Forschung. Begleitend dazu stellte der TanDEM-X-Blog Vorträge aus dem „Science Meeting“ vor und skizziert, in welcher Weise die Daten der zwei Radar­missionen Forscher weltweit unterstützen.
 

„Die Teilnahme von mehr als 250 Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftlern aus vierzig Ländern ist ein Beleg für das große Interesse an den Daten beider Satelliten­missionen. Auch wenn heute mehr als 25 Radarsatelliten im Einsatz sind, ist nur TanDEM-X mit seinem einzigartigen Formationsflug in der Lage, Bilder in 3D und in hoher Auflösung zur Verfügung zu stellen“, sagt Alberto Moreira, Direktor des DLR-Institutes für Hoch­frequenz­technik und Radar­systeme und Principal Investigator der TanDEM-X-Mission.

Radarsensoren haben für die Erdbeobachtung besondere Bedeutung, da sie unabhängig vom Wetter und zu jeder Tages- oder Nachtzeit Aufnahmen liefern. Vom Weltall aus können sie große Gebiete, mehr als hundert Kilometer lang, erfassen. Die zivilen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X sind aktuell noch im Betrieb und könnten noch mehrere Jahre für die Forschung genutzt werden.

Internationale Forschungs­einrichungen und Organisationen verwenden die bisherigen Daten, um beispielsweise Naturgefahren wie Erdbeben, Vulkan­ausbrüche und Tsunamis zu analysieren. „Hoch­auflösende und langfristige Daten­erfassungs­pläne sind unerlässlich, um Vulkan­gefahren zu untersuchen und damit zu einem verbesserten Frühwarn­system beizutragen“, erklärt Thomas Walter vom Deutschen Geo­Forschungs­Zentrum (GFZ).

Am 22. Dezember 2018 traf ein heftiger Tsunami die indonesische Vulkaninsel Krakatau, der Hunderte von Menschen tötete und die Küstenregionen von Java und Sumatra verwüstete. Aufgrund der schlechten Witterungs­bedingungen und der intensiven Vulkan­aktivitäten waren direkte Einblicke in den Vulkan nicht möglich und die Einzelheiten unklar. Die TerraSAR-X-Radaraugen haben in dieser Situation dazu beigetragen, die tiefgreifenden Veränderungen durch die Katastrophe von Anak Krakatau 2018 besser zu verstehen. Der Zusammenbruch des Vulkans wurde auch durch unabhängige seismische und Infraschalldaten beobachtet, doch erst die TerraSAR-X-Daten lieferten die nötige Auflösung. So war es den Wissenschaftlern anhand der Radardaten möglich, morphologische Details des Zusammenbruchs auszuwerten, eine Zunahme des Inselumfangs in anderen Teilen nachzuvoll­ziehen und das Gebiet nach dem Absetzen des neuen vulkanischen Materials zu untersuchen.

Der Blick aus dem All kann auch sehr genaue Auskünfte über die Veränderungen von Gletschern und Eisschilden geben. Die teils drastischen Entwicklungen müssen regelmäßig beobachtet werden und sind im Zusammenhang der globalen Erderwärmung zu sehen. Einen wahren Datenschatz liefert hier das TanDEM-X-Höhenmodell – noch nie zuvor wurden Grönland und die Antarktis umfassend und mit so hoher Genauigkeit vermessen.

Grönlands schnellster Gletscher, Jakobshavn Isbrae, produziert das größte Volumen an Eisbergen der nördlichen Hemisphäre. In den letzten zwei Jahrzehnten hat dieser Gletscher seine Geschwindigkeit mehr als verdoppelt, so dass er allein in den Jahren 2000 bis 2010 den Meeresspiegel um einen Millimeter erhöht hat. Die Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X begannen 2009 mit der intensiven Überwachung dieses Gletschers und zeigten die enormen und unerwarteten Geschwindigkeits­schwankungen.

„Dieselben Prozesse, die zur jährlichen Variation beitragen, werden den Gletscher auch in Zukunft beschleunigen, da sich das Klima weiter erwärmt. Daher ist die langfristige Überwachung der Gletscher Grönlands und der Antarktis durch Fern­erkundungs­satelliten so wichtig, um zu verstehen, wie sich der Meeresspiegel auf die Küsten­gemeinden der Welt auswirken wird“, erzählt Ian Joughin vom Polar Science Center des Applied Physics Lab von der University of Washington.

Einen immanenten Einfluss auf das Klima haben auch unsere Wälder, indem sie als einer der wichtigsten Kohlenstoff­speicher fungieren. Bei Veränderungen wie Abholzung oder Brandrodung kann es schnell zu einem Ungleichgewicht kommen. Wieviel Kohlenstoff gespeichert wird, hängt unter anderem von der Baumhöhe ab. DLR- und NASA-Wissenschaftler arbeiten an der Erstellung einer einzig­artigen globalen Waldhöhenkarte: Die NASA-Wissenschaftler arbeiten mit dem GEDI-System (Global Ecosystem Dynamics Investigation), das regional begrenzte, aber sehr genaue Waldhöhen­daten liefert. Das DLR-Team erstellt die Waldhöhen­informationen aus der TanDEM-X-Mission, die die Daten global aber in einer reduzierteren Genauigkeit liefern kann. Einzigartig ist die Verschneidung dieser beiden Datensätze zu einem hochgenauen globalen Waldhöhen­produkt. Beim „Science-Meeting“ in Oberpfaffenhofen werden nun erste Ergebnisse dieser Kooperation gezeigt. „Das Wissen über die genauen Waldhöhen wird die regionalen und globalen Klimamodelle zur Prognose von freiem Kohlenstoff­dioxid signifikant verbessern“, erklärt DLR-Wissenschaftler Kostas Papathanassiou vom Institut für Hoch­frequenz­technik und Radarsysteme.

Ziel der hochinnovativen Radarmission Tandem-L ist es, wichtige Umwelt- und Klimaparameter global und in hoher zeitlicher Auflösung zu erfassen: Alle acht Tage sollen zwei Radarsatelliten die Landmasse der Erde dreidimensional abbilden. Dadurch können dynamische Prozesse der Erde zeitnah und systematisch erfasst werden. Erdbebenforscher und Risikoanalysten wären in der Lage, Deformationen der Erdoberfläche milli­metergenau zu verfolgen. Gletscher­bewegungen und Schmelz­prozesse in den Polarregionen könnten regelmäßig und dadurch noch genauer ermittelt werden. Die Erd­beobachtungs­daten der drei Radarsysteme sollen sich komplementär ergänzen.

Im Vergleich zu den beiden aktuellen Missionen wird Tandem-L mit einer längeren Wellenlänge betrieben. Mit der Wellenlänge von rund 24 Zentimeter lässt sich die Vegetation durchdringen, so dass die Flächen­strukturen des Untergrunds sichtbar werden. Dank neuer Technologien und Aufnahme­verfahren, wie der polari­metrischen SAR-Inter­ferometrie, kann auch ein Wald dreidimensional kartiert werden. Hieraus werden dann die Waldhöhen berechnet und die Biomasse indirekt abgeschätzt – auf globaler Ebene ist dies bisher nicht möglich. Wissenschaftler unterschiedlicher Helmholtz-Zentren, die an den Vorstudien der Mission beteiligt sind, stellen nun ihre Ergebnisse in Oberpfaffenhofen vor und erörtern, welche tragende Rolle Tandem-L zur Beantwortung von umweltrelevanten Heraus­forderungen spielen kann. 

DLR / DE
 

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