hat, dank verbesserter Technologie, in jedem dieser Bereiche mehr und schmalere Kanäle, wodurch sich die Invertierungsmöglichkeiten erheblich verbessern. Die Namen der Kanäle wurden beibehalten, aber zur Spezifizierung zusätzlich eine Zahl angegeben, die die Zentrumswellenlänge in Mikrometer (μm) angibt.
Abb. 1.5
Die Erde, gesehen von Meteosat Second Generation in verschiedenen Kanälen (EUMETSAT, 2011)
Abb. 1.5 a
Meteosat-Kanal VIS 0.6.
Abbildung 1.5 a zeigt ein Bild der Erde im VIS-0,6-Kanal, d.h. im Bereich der sichtbaren Strahlung, ähnlich wie ein Mensch die Erde aus der Entfernung des Satelliten sehen würde. Allerdings entspricht das Bild der Wahrnehmung eines einäugigen, farbenblinden Menschen, da ihm die Information von nur einem Kanal zugrunde liegt. Die Wolken sind hell, das Meer ist dunkel, und die Landflächen sind unterschiedlich grau, je nach Oberflächentyp und Bewuchs. Aber schon dieses Bild verdeutlicht, dass die einfache Betrachtung eines Satellitenbildes Information enthält, die ohne den Blick von weit außen auf die Erde in dieser Zusammenschau nicht möglich wäre. Beispielsweise ist die Lage der Tiefdruckfronten auf der Nordhalbkugel zu erkennen. Offene Wolkenzellen über dem subtropischen Atlantik zeigen Bereiche, wo Kaltluft über wärmeres Wasser strömt. Weiter ist die Lage der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) mit ihren zahlreichen lokalen Gewittern und den größeren hellen Gewitterclustern erkennbar. Damit ist bereits die einfache visuelle Interpretation sehr informativ und für die „meteorologische Didaktik“ von großer Bedeutung. Wenn dann noch Unterschiede zwischen mehreren Bildern mit kurzem zeitlichem Abstand betrachtet werden, kann aus der Verlagerung von Bildelementen zusätzliche Information für die Wettervorhersage abgeleitet werden.
Abbildung 1.5 b zeigt die Strahlung, die Meteosat zur gleichen Zeit, aber in einem Kanal im Infraroten (IR-10,8) erreicht. Das heißt, die Signale stammen aus dem Wellenlängenbereich des atmosphärischen Fensters bei rund 10 μm, wo die Transmission durch die Atmosphäre so gut ist, dass auch der Boden „gesehen“ werden kann. In IR-Kanälen wird die Signalstärke in erster Linie durch die Temperatur des strahlenden Körpers bestimmt, und zwar – wie später erklärt wird – steigt die Strahlung mit steigender Temperatur (Kap. 2.2.1). Damit ergeben die hohen, kalten Wolken ein geringes Signal, sind also dunkel, und der warme Boden ist hell, wie Abbildung 1.5 b zeigt.
„Meteosat“ ist der Name für geostationäre europäische Satelliten, die in der Zeit ihrer operationellen Nutzung fest bei 0° geographischer Länge über dem Äquator stehen. Sie beobachten in zeitlich dichter Folge nicht nur fast ganz Europa und Teile des Atlantiks, sondern auch Afrika und die umgebenden Meere.
Abb. 1.5 b
Meteosat-Kanal IR 10.8.
Um der menschlichen Wahrnehmungsgewohnheit zu entsprechen, dass Wolken hell sind und das Meer dunkel ist, wird bei weiterbearbeiteten IR-Bildern die Helligkeitsskala umgekehrt und Gebiete mit hohen Temperaturen (z. B. Meer) werden dunkel und kalte Bereiche (z. B. Wolken) hell dargestellt. Das sind dann die IR-Bilder, wie sie üblicherweise gezeigt werden.
Auch in Abbildung 1.5 b sind wieder unterschiedliche Grauwerte zu erkennen, die jetzt unterschiedliche Temperaturen bedeuten. Auch dieser Kanal liefert wieder bereits durch die bloße Betrachtung des Satellitenbildes interessante Information. Zum Beispiel ist die Wüste in diesem Mittagsbild wärmer und damit wegen der verwendeten Originaltemperaturzuordnung heller als der Urwald und der Ozean. Die kalten Zirren über der Sahara, die so dünn sind, dass sie im VIS-Bild fast nicht gesehen werden, zeichnen sich dank des Temperaturkontrasts zur Wüste deutlich ab. Die Helligkeitsunterschiede verschiedener Wolken dokumentieren, dass sie unterschiedliche Temperaturen haben. Da bekannt ist, dass die Temperatur in der Atmosphäre mit der Höhe abnimmt, kann aus der Temperatur einer Wolke deren Höhe abgeleitet werden, wobei natürlich die Strahlungseigenschaften der Wolke und das für den Beobachtungsort gültige Temperaturprofil berücksichtigt werden müssen. Neben der Bestimmung des Bedeckungsgrades, eine Information die schon im VIS-Kanal enthalten ist, ergibt sich durch Kombination der Informationen von VIS und IR somit die Möglichkeit, den Bedeckungsgrad in verschiedenen Wolkenstockwerken und damit für verschiedene Wolkentypen zu ermitteln (Kap. 6).
Wie beim VIS-Bild liefern auch die Wolkenbilder im Infrarot-Kanal über die zeitliche Abfolge Informationen über den Wind im Wolkenniveau (Kap. 8). Zudem bietet die zeitlich hochaufgelöste Bestimmung der Änderung der Größe und Höhe einzelner Wolken eine Möglichkeit zur Erkennung von Schauern und Unwettern, aber auch von Fronten und anderen meteorologischen Systemen.
Abb. 1.5 c
Meteosat-Kanal WV 6.2.
Abbildung 1.5 c zeigt, wie die Erde von Meteosat aus zur gleichen Zeit in einem WV-Kanal ausgesehen hat. Die Strahlung in diesem Kanal wird vom Wasserdampf in der Atmosphäre emittiert und ist damit abhängig von dessen Menge und Temperatur. So gilt wieder, dass Bereiche mit niedrigen Temperaturen, resultierend in geringer Strahlung, dunkel erscheinen, während solche mit höherer Temperatur und viel Wasserdampf als helle Flächen zu sehen sind. In Abbildung 1.5 c sind die hohen Wolken wieder erkennbar, da sie oberhalb des emittierenden Wasserdampfniveaus liegen. Tief liegende Wolken werden jedoch durch das Wasserdampfsignal maskiert, sind also nicht sichtbar. Das erlaubt aus zeitlich dicht folgenden WV-Bildern für Wolken, die plötzlich sichtbar werden, auf deren rasche Höhenzunahme und damit auf eine Gewitterentwicklung zu schließen. Die Verlagerung von zu erkennenden Wasserdampfstrukturen wird, wie die von Wolken, zur Windbestimmung genutzt (Kap. 8). Wichtig ist die Fernerkundung des Wasserdampfgehalts aber auch für die Kontrolle der Ergebnisse von numerischen Prognose- und Klimamodellen.
1.4.2 Information aus der Kombination mehrerer Messungen
Im Laufe der Jahre wurde die Zahl der spektralen Kanäle in den Satellitenradiometern erhöht, ihre spektrale Auflösung verbessert und die Messung der Polarisation hinzugenommen. Aktive Methoden wurden realisiert und mit unterschiedlichen Abtastmethoden und Pixelgrößen kombiniert. Beispiele hierzu werden in den folgenden Anwendungskapiteln vorgestellt.
Um die durch die erweiterten Messmöglichkeiten gegebene Zusatzinformation zu nutzen und so die Invertierung zu verbessern, werden häufig mehrere Sensoren an Bord eines Satelliten gemeinsam geflogen. Ein aktuelles Beispiel für diese Entwicklung ist die Plattform „Envisat“, auf der zehn Instrumente vereint sind, und die mit 25 m Länge und 8 t Gewicht der größte je von der ESA gebaute Satellit ist (Abb. 1.6).
Abb. 1.6
Envisat im Labor. Die Größe des Satelliten wird durch die Menschen im Bild verdeutlicht (EUMETSAT, 2011).
Eine andere Lösung zur Nutzung der synergetischen Effekte verschiedener Sensoren, die das gleiche Gebiet beobachten, ergibt sich durch die Verwendung mehrerer kleinerer Satelliten, die in kurzem räumlichen und damit zeitlichen Abstand auf der gleichen Bahn fliegen. Dieses Konzept ist im sogenannten A-Train der NASA verwirklicht, der in Kapitel 13 vorgestellt wird. Damit ist die Möglichkeit gegeben, jeden Punkt unter der Flugbahn nahezu gleichzeitig mit ganz verschiedenen Sensoren zu beobachten, ohne sich mit den technischen Problemen auseinandersetzen zu müssen, die sich bei der Integration mehrerer Radiometer
