Das ENSO-Phänomen

Satellitenaltimetrie

Satellitengestütztes Radarverfahren zur Ermittlung der Höhe der Meeresoberfläche und ihrer Welligkeit. Auch können die Höhen von Eisflächen und von Binnengewässern (ab einer gewissen Mindestgröße) beobachtet werden.

Im Unterschied zur Satellitengravimetrie, welche die Massenverteilung und -umverteilung im Erdsystem registriert, erfasst die Satellitenaltimetrie die Erde in geometrischem Sinne, sie misst die Senken und Erhebungen der Landschaft, des Ozeans oder des Eises.

Dazu trägt ein Satellit als Nutzlast ein Radar-Altimeter, von dem in Nadirrichtung mit einer Trägerfrequenz im Ku-Band (13,5-13,8 GHz) und mit Wiederholraten von mindestens 1 KHz frequenzmodulierte Impulse von wenigen Nanosekunden Dauer ausgestrahlt werden. Der Radarimpuls wird bis auf eine von Wind und Seegang abhängige Streuung reflektiert und nach wenigen Millisekunden Laufzeit wieder empfangen. So wird ein Profil der Erde direkt unterhalb der Satellitenbahn abgestreift, die sogenannte Bodenspur. Der Reflektionspunkt an der Meeresoberfläche hat durch die Ausweitung des Radarstrahls übrigens einen Durchmesser in der Größenordnung von etlichen Kilometern. Wenn die Bahn des Satelliten genau bekannt ist, zum Beispiel aus GPS-Messungen, erhält man aus der gemessenen Laufzeit des Signals und der geozentrischen Höhe des Satelliten die Meereshöhe.

Das Impulsecho wird bei dem Verfahren quantifiziert und einer theoretischen Impulsantwort angepasst, wobei drei Parameter ermittelt werden:

1. Die Laufzeit des Impulses,
2. die Neigung der ansteigenden Flanke des Impulsechos und
3. die Energie des Impulsechos.

Aus der halben Laufzeit wird die Höhe über dem Meeresspiegel berechnet. Die Neigung der ansteigenden Flanke ist korreliert mit der signifikanten Wellenhöhe, und die Energiebilanz des Impulsechos ist proportional zum Rückstreukoeffizienten der Meeresoberfläche, der empirische Rückschlüsse auf den Betrag (nicht die Richtung) der Windgeschwindigkeit zulässt. Auch Meeresströmungen können aus der Charakteristik des empfangenen Signals indirekt bestimmt werden. Signifikante Wellenhöhe und Windgeschwindigkeit werden direkt für Schiffsroutenberatung und von Wetterdiensten genutzt. Auch zur Geoidbestimmung wird die Altimetrie erfolgreich eingesetzt.

Die zentrale Messgröße der Satellitenaltimetrie ist die gemessene Meereshöhe (bzw. Eishöhe). Aus kleinräumigen Abweichungen der Meereshöhe vom Ideal des Geoids lassen sich Anomalien des Erdschwerefelds berechnen. Daraus wiederum lässt sich flächendeckend auf die Topographie der Ozeanböden schließen, was ansonsten nur mittels Echolot an einzelnen Punkten möglich ist. Global betrachtet liefert die Satellitenaltimetrie Daten zum Anstieg des Meeresspiegels.

Die Höhenmessung durch Radaraltimetrie bedarf zahlreicher Korrekturen, um Messungen zu verschiedenen Zeiten und unter unterschiedlichen Messbedingungen miteinander vergleichen zu können.

Seit über drei Jahrzehnten kommt die Satellitenaltimetrie zum Einsatz, allerdings erst ab Anfang der 90er Jahre operationell. Eine amerikanisch-französische Zusammenarbeit hat eine Generation von Altimetermissionen hervorgebracht mit Namen wie Topex/Poseidon und Jason, die Europäische Raumfahrtbehörde ESA steuerte Satelliten wie ERS und ENVISAT bei. Die Relevanz kontinuierlicher Ozeanbeobachtung wurde gemeinsam von der ESA und der Europäischen Union anerkannt. Im Rahmen des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus ist der Envisat-Nachfolger Sentinel-3 im All.

Schema der Satellitenaltimetrie mit Jason-3 Die Satellitenaltimetrie ist eine Technik, die Raumfahrzeuge in der Umlaufbahn verwendet, um sehr genaue Messungen der Höhen von Land, Eis und Ozean vorzunehmen. Jason-3 trägt ein Radar-Höhenmessersystem, das speziell dafür entwickelt wurde, extrem genaue und präzise Messungen der Höhe und Wellen der Meeresoberfläche vorzunehmen. Jede Sekunde lässt der Jason-3-Höhenmesser Tausende von Radarimpulsen von der Meeresoberfläche abprallen, während ein Radiometer misst, wie die Radarwellen durch die Atmosphäre verlangsamt werden, und drei weitere Instrumente helfen, die genaue Umlaufbahn des Satelliten zu messen. Quelle: NOAA / NESDIS

Die Satellitenaltimetrie wurde in erster Linie zur Beobachtung der Meeresoberfläche entworfen: Gezeitenmodelle konnten mit hoher Genauigkeit verfeinert werden, die globale Ozeanzirkulation und deren Änderungen werden kontinuierlich verfolgt, kleinräumigere Strukturen wie Eddies (Wirbel) oder Tsunamis werden erfasst, das El Niño-Phänomen konnte genauer erforscht werden, und so weiter. In der Klimaforschung ist der Meeresspiegelanstieg eine besonders wichtige Größe. Die Satellitenaltimetrie erlaubt ein langfristiges Monitoring der Meeresoberflächen mit hoher Genauigkeit und homogener räumlicher Abdeckung. Nur so können zuverlässig Schätzungen des Anstiegs ermittelt werden und in den Berichten des „Intergovernmental Panel on Climate Change“ (IPCC) eine tragende Rolle spielen.

Auch China als aufstrebende Weltraummacht leistet sich unter dem Namen Hai-Yang eine Flotte von Ozeanbeobachtungssatelliten, darunter einen Altimetersatelliten. Die hydrologische Anwendung von Satellitenaltimetrie wird künftig weiter an Bedeutung gewinnen. Durch verbesserte Messtechniken werden künftig auch kleinere hydrologische Objekte erfasst werden können mit gleichzeitiger Verbesserung der Raum-Zeit-Abtastung.