Kombination von Level-2-Produkten, die zum Zweck der leichten Interpretation zu einer farbigen Karte zusammengefasst werden. Die im Bild letztendlich gezeigten Farben sind dem im Bildpunkt jeweils dominierenden geophysikalischen Parameter zugeordnet. Dabei sind die Falschfarben aber so gewählt, dass sie der gewohnten Beobachtungserfahrung möglichst entsprechen. So sind Wolken weiß bis hellblau dargestellt, Landoberflächen grün oder braun und das Meer schwarz oder nachtblau. Damit ermöglichen diese Bilder einen Überblick über die meteorologische Situation in einem großen Areal, und zeitlich folgende Bilder zeigen deren Änderung und die Verlagerung von Strukturen Die Möglichkeit einer gezielten individuellen Interpretation der Strahldichten der einzelnen Kanäle ist natürlich trotzdem weiterhin gegeben. Abbildung 1.7 zeigt als Beispiel ein aus AVHRR-Daten erzeugtes Falschfarbenbild eines Satellitenflugs über Europa, und in Kapitel 6 wird gezeigt, wie unterschiedliche Wolkeneigenschaften durch farbliche Zuordnung getrennt werden können.
Abb. 1.7
Europa am 20.6.2011, gesehen mittels AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) (NASA, 2011).
Die genauere Angabe von Ergebnissen erfolgt mittels Tabellen oder Graphiken. Die Darstellung der geographischen Verteilung einzelner Größen, wie zum Beispiel von Bodentemperatur, Wolkenbedeckungsgrad, Meereiskonzentration, Menge von Aerosolpartikeln oder von einem Spurengas, erfolgt durch thematische Karten mit Isolinien oder farblich unterschiedenen Bereichen. Hier sind die Grenzen zwischen den Farben frei wählbar, deshalb sollte stets ein Farbkeil zur Erläuterung gezeigt werden. Und die zeitliche Entwicklung einer Größe kann natürlich in entsprechenden Verlaufsdiagrammen dargestellt werden.
Zusammenfassung Kapitel 1
Satellitenmeteorologie bedeutet die Fernerkundung von meteorologisch relevanten Parametern der Atmosphäre und ihres Unterrands (Boden, Wasser) mittels Satelliten. Sie leistet einen fundamentalen Beitrag zur Qualität der Wettervorhersage und für die Überwachung des Klimas.
Ein großer Vorteil von Satelliten als Beobachtungsplattform ist die globale Überdeckung, die zudem zeitlich dicht und räumlich hochaufgelöst erfolgen kann. Dabei werden auch von den Ozeanen und den Polarregionen Daten gewonnen, also von Gebieten, die für die Wettervorhersage und die Erfassung einer möglichen Klimaänderung wichtig sind, von denen aber nur sehr wenige Bodenbeobachtungsdaten zur Verfügung stehen.
Die prinzipielle Methodik bei der Fernerkundung mittels Satelliten besteht darin, dass zunächst Strahlungsgrößen gemessen werden, aus denen durch „Invertierung“ der gesuchte Atmosphären- oder Bodenparameter ermittelt wird. Da die zu messende Strahlung aber immer auch durch andere Größen der Atmosphäre oder des Bodens beeinflusst wird, ergeben sich Unsicherheiten in Bezug auf die gesuchte fernerkundete Größe.
Diese Unsicherheiten können durch zusätzliche Messungen oder Modellrechnungen reduziert werden, resultierend in verbesserten Invertierungsalgorithmen. Hierzu wird die Tatsache genutzt, dass Strahlung in einem großen Wellenlängenbereich – vom UV bis zu den Mikrowellen – zur Verfügung steht und dass Information auch mittels Strahlung gewonnen werden kann, die vom Satelliten aus gesendet wird (Radarprinzip). Generell gilt, dass sehr viele meteorologisch interessierende Größen fernerkundet werden können, aber nicht alle mit gleicher Genauigkeit. Hierauf wird in den parameterbezogenen Kapiteln dieses Buchs näher eingegangen.
Die genutzten Radiometer müssen regelmäßig kalibriert und die Ergebnisse validiert werden. Diese Qualitätskontrollen zusammen mit der Kontinuität bei der Entwicklung von Sensoren erlauben es, längere Messreihen zu erstellen, die zur Klimaüberwachung dienen können. Darüber hinaus ermöglicht der technische Fortschritt immer bessere Messungen und mit neuen Radiometern auch die Erfassung weiterer meteorologischer und geophysikalischer Parameter.
Die eigentlichen Messdaten sind Graustufen von jedem Kanal eines Radiometers (entsprechend einer Wellenlänge), die zu Bildern zusammengesetzt werden. Diese georeferenzierten Bilder enthalten bereits interessante, auswertbare meteorologische Informationen, und ihre zeitliche Änderung erlaubt atmosphärische Strömungsfelder (Winde), Wetteränderungen oder Transportvorgänge zu erkennen. Üblicherweise werden aber die Ergebnisse mehrerer Kanäle weiterverarbeitet zu detaillierter meteorologischer Information zusammengefügt.
Peter Köpke
2 Licht und andere elektromagnetische Strahlung
2.1 Grundlagen
Elektromagnetische Strahlung ist Energie, die von jeder Materie mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (–273,15 °C) abgestrahlt wird und die sich ohne tragendes Medium, d.h. auch im luftleeren Raum, ausbreiten kann. Ein Beispiel für elektromagnetische Strahlung ist das sichtbare Licht mit seinen verschiedenen Farben, aber es gibt auch nicht sichtbare Strahlung, die denselben Gesetzen gehorcht. Diese Strahlungsgesetze werden im Folgenden besprochen, wobei aus Gründen der Lesbarkeit in aller Regel das Adjektiv „elektromagnetisch“ weggelassen und nur von „Strahlung“ gesprochen wird.
2.1.1 Farbe, Wellenlänge und Frequenz: Eigenschaften der Strahlung
Elektromagnetische Strahlung zeigt in einigen physikalischen Versuchen eindeutig die Eigenschaften von Wellen, in anderen die von einem Strom masseloser Teilchen, die Strahlungsquanten oder Photonen genannt werden. Dieser „Welle-Teilchen-Dualismus“ erlaubt es, die unterschiedlichen Eigenschaften von Strahlung mit dem menschlichen Vorstellungsvermögen in Einklang zu bringen.
Bei der Betrachtung der Strahlung als Welle kann diese grundlegend durch ihre Wellenlänge λ [m] charakterisiert werden, d.h. dem Abstand zwischen zwei Punkten der Welle mit gleicher Phase (z. B. der Abstand zwischen zwei Wellenbergen). Im Bereich sichtbaren Lichts entsprechen unterschiedliche Wellenlängen der Strahlung jeweils unterschiedlichen Farben. Von violett über blau, grün, gelb und rot steigen die Wellenlängen von rund 400 nm auf rund 750 nm (1 nm entspricht 10–9 m oder 10–3 μm).
Wie gesagt ist elektromagnetische Strahlung nicht auf den sichtbaren Bereich beschränkt, sondern überdeckt einen Wellenlängenbereich von vielen Zehnerpotenzen (Abb. 2.2). Strahlung bei genau einer Wellenlänge, in der Praxis aus einem sehr engen Wellenlängenintervall, wird „monochromatisch“ genannt. Diese Bezeichnung ist auch außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs verwendbar.
Wird zur Beschreibung der Strahlung das Photonenbild verwendet, so wird die Unterscheidung über die Energie E [J] des einzelnen Strahlungsquants getroffen. Diese ist gegeben durch das Gesetz von A. Einstein:
Dabei ist h eine Naturkonstante, das Plancksche Wirkungsquantum, und ν [1/s] die Frequenz der Strahlung, also die Zahl der Schwingungen in einer vorgegebenen Zeit, üblicherweise pro Sekunde. Diese Einheit trägt die Bezeichnung Hertz (Hz) (1 Hz entspricht 1/s).
Elektromagnetische Strahlung pflanzt sich im luftleeren Raum unabhängig von ihrer Photonenenergie oder Frequenz immer mit der Lichtgeschwindigkeit c fort, eine Konstante mit dem Wert c = 2,9979 108 m/s. Für die Kombination von Frequenz, Lichtgeschwindigkeit und Wellenlänge gilt
woraus sich der Zusammenhang zwischen der Photonenenergie und der Wellenlänge ergibt:
