12), sondern auch die von Größen des Unterrands der Atmosphäre, die für meteorologische Prozesse wichtig sind. Dazu gehören die Bodentemperatur (Kap. 5) und die Verteilung von Eis und Schnee (Kap. 11). Die regelmäßige Wiederholung der Beobachtungen erlaubt die Bestimmung von Winden aus der Verlagerung von Wolken oder Wasserdampfstrukturen (Kap. 8). Mittels Satelliten erfasste Daten ergeben die Verteilung und den Transport von Spurengasen oder Wüstenstaub in der Atmosphäre und ermöglichen, Menge und Eigenschaften von Partikeln kleinräumig zu erfassen (Kap. 9). Neben Informationen für Wetter und Klima liefern Satelliten auch wichtige Umweltdaten. So wird die zeitliche und räumliche Verteilung von Wolken im Hinblick auf die Solarenergie genutzt (Kap. 6 und 12). Weiterhin können von Satelliten aus Brandherde in Wald und Steppe geortet , Überschwemmungsgebiete erkannt, Stadt- und Waldgebiete vermessen und das Grün der Vegetation als Indikator für deren Zustand bestimmt werden. Diese zuletzt genannten Punkte werden in diesem Buch nur kurz behandelt.
Die genannten Aspekte zeigen die große Bedeutung der Satellitenmeteorologie. Sie hilft bei der Kontrolle des Klimas und seiner Änderung sowie bei der Verbesserung der Modelle, die für eine Vorhersage des Klimas genutzt werden. Sie unterstützt aber auch die tägliche Wetterprognose und die Überwachung der Umwelt.
Es ist bekannt, dass das von der Sonne kommende Licht durch die Eigenschaften der Atmosphäre verändert wird. Wolken sind weiß oder grau, und der wolkenlose Himmel ist blau, aber mit unterschiedlicher Farbtiefe an klaren und an trüben Tagen. Ein Blick aus einem Flugzeugfenster zeigt, dass Licht nach oben gestreut und reflektiert wird, sodass Wolken- oder Bodenstrukturen von oben erkannt werden können. Derartige Phänomene werden bei der Satellitenmeteorologie technisch genutzt.
Sichtbares Licht steht dabei für elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich. Für meteorologische Fernerkundung steht jedoch auch elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereichs zur Verfügung, die mittels passender Sensoren gemessen werden kann. Da die Wechselwirkungen von Atmosphäre und Boden mit der Strahlung wellenlängenabhängig sind, von der Richtung abhängen und auch die Polarisation beeinflussen, können durch Kombination verschiedener Messdaten ganz verschiedene meteorologische Parameter oder Eigenschaften von Substanzen in der Atmosphäre oder des Bodens ermittelt werden.
Um unterschiedlichen Fragestellungen zu genügen, kommen eine Vielzahl von Sensoren mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz. Die Unterschiede beziehen sich nicht nur auf die zur Beobachtung verwendeten Spektralbereiche, die Erfassung der Polarisation, sondern auch auf die Umlaufbahn der Satelliten, die Beobachtungsgeometrien, sowie auf „passive“ und „aktive“ Methoden.
Bei den passiven Methoden wird Strahlung gemessen, die ursprünglich von der Sonne stammt oder vom Boden und der Atmosphäre emittiert wurde. Hierbei wird in vielen Fällen durch ein Abtasten des Beobachtungsbereichs flächenhafte Information erzeugt, das heißt es werden „Bilder“ vom aktuellen Zustand des beobachteten Gebiets gewonnen. Die von der Erde in Richtung zum Satelliten gelangende Strahlung wird je nach Spektralbereich unterschiedlich stark vom Boden und von der Atmosphäre beeinflusst (Kap. 3). Dadurch ist es möglich, Sensorkombinationen zu konzipieren, die eine Trennung der Information von Boden und Atmosphäre erlauben.
Bei den aktiven Methoden wird die zur Untersuchung verwendete Strahlung im Satelliten selbst erzeug, in Richtung Erde geschickt und die rückgestreute oder reflektierte Strahlung gemessen. Aktive Sensoren haben so die Möglichkeit, aus der Zeit zwischen Abschicken und Empfangen eines Signals auf die Entfernung zu schließen, und damit höhenaufgelöst zu messen. Manche Typen erlauben Strukturen der reflektierenden Oberflächen zu erkennen, und zur Interpretation von deren Eigenschaften zu nutzen, was bei passiver Messung nicht möglich wäre. Aktive Systeme sind auf Satelliten derzeit noch weniger stark vertreten als passive, im Wesentlichen wegen des zusätzlichen Problems der beschränkten Lebensdauer ihrer Strahlungsquelle.
Die Geschichte der Satellitenmeteorologie beginnt 1960 mit dem Satelliten „Tiros 1“, der mit einem Strahlungsmessgerät, einem Radiometer, ausgestattet war, das Graustufen unterschieden hat, und so Information zur Bewölkungsverteilung lieferte. Der seitdem stattgefundene technologische Fortschritt hat zu einer solchen Vielzahl unterschiedlicher Methoden und Anwendungen in der Satellitenmeteorologie geführt, dass es wichtig ist, deren gemeinsame physikalische und technische Grundlagen zu zeigen, bevor auf die einzelnen Verfahren eingegangen wird. In diesem Buch werden deshalb zunächst die Grundlagen ausführlich dargestellt (Kap. 2 – 4). Die in der Praxis verwendeten Methoden werden dann anhand der Bestimmung verschiedener meteorologischer Parameter getrennt behandelt (Kap. 5 –12), und Kapitel 13 gibt einen Überblick über meteorologische Satelliten und Sensoren. Nicht diskutiert werden fotografische Methoden, da Weltraumfotos zwar interessant sind – und häufig auch ästhetisch und didaktisch wertvoll –, aber nicht die für meteorologische Fragestellungen wichtigen kontinuierlichen Beobachtungen beinhalten.
Die zitierte Literatur wird am Ende des Buches angegeben, und zusätzlich werden Bücher genannt, die Grundlagen behandeln oder detaillierter auf einzelne Aspekte eingehen. Dabei werden auch ältere Publikationen aufgeführt, weil die Grundlagen der Satellitenmeteorologie dort meist ausführlicher behandelt werden als in neueren Veröffentlichungen. Da sich die physikalischen Grundlagen nicht ändern und neue Instrumente häufig auf älteren aufbauen, auch um die Kontinuität der Messreihen zu gewährleisten, sind die älteren Publikationen nach wie vor sachlich richtig und hilfreich. Bei den Lesern dieses Buches wird meteorologisches Grundwissen vorausgesetzt, diesbezügliche Bücher werden aber auch bei der Literatur zu den Grundlagen aufgeführt. Da detaillierte, aktuelle und gut dargestellte Information zunehmend auch im Internet zu finden ist, wird zudem eine Vielzahl von Web-Seiten angegeben, die sich mit der Thematik befassen. Einen aktuellen Überblick über die Perspektiven der Satellitenmeteorologie haben Thies und Bendix (2011) publiziert.
1.2 Sprache und Namen
Seit einigen Jahrzehnten ist amerikanisches Englisch die Weltsprache in den Naturwissenschaften. Damit dominiert sie auch die Satellitenmeteorologie – hier sogar in besonderem Maße, da die USA schon seit jeher einen großen Beitrag zu dieser Disziplin leisten.
Englische Fachbegriffe, wie „Pixel“, abgeleitet aus „Picture Element“ für Bildpunkt, werden ganz selbstverständlich benutzt, und für manche Begriffe, wie „Lidar“, der Abkürzung für „Light Detection and Ranging“, existiert gar kein deutscher Begriff. Die in diesem Buch verwendeten englischen Begriffe und Bezeichnungen werden jeweils erläutert, und umgekehrt werden, wenn deutsche Begriffe Verwendung finden, auch die englischen Bezeichnungen genannt um das Lesen von Originalliteratur zu erleichtern.
Eine gewisse sprachliche Problematik ist bei den Bezeichnungen der Typen der in der Satellitenmeteorologie verwendeten Messinstrumente gegeben. Hier ist die Terminologie keineswegs einheitlich. Dies liegt daran, dass verschiedene Fernerkundungssysteme von verschiedenen Gruppen entwickelt wurden, die ihnen jeweils passend erscheinende Namen gaben. Diese Namen blieben erhalten, da nie ein tatsächlicher Bedarf für eine Vereinheitlichung bestand. Unterschiede im Sprachgebrauch gibt es aber auch bei der Bezeichnung von Spektralbereichen und bei den Symbolen, die für Größen zur Beschreibung des Strahlungsfelds oder optischer Parameter verwendet werden.
Verschiedene Sensoren messen in verschiedenen Wellenlängenbereichen. Diese sogenannten „Kanäle“ hatten, speziell in der Anfangszeit der Satellitenmeteorologie, eine gewisse spektrale Breite, um genügend Energie auf den Detektor zu bringen. Innerhalb des Intervalls des Kanals konnte die Empfindlichkeit spektral durchaus variabel sein. Damit wurden die Kanäle üblicherweise mit einem Namen bezeichnet, der die generelle spektrale Lage charakterisierte – wie VIS, WV und IR bei Meteosat –, und es wurde keine spezifische Wellenlänge oder ein Wellenlängenintervall zur Kennzeichnung angegeben. Mit dem Namen des Kanals waren alle seine relevanten Eigenschaften erfasst.
Auch die Bezeichnungen für verschiedene spektrale Bereiche der elektromagnetischen Strahlung sind nicht einheitlich,
