Ergänzung 5.3: Satellitenmessungen von Meereis (2/4)

Mikrowellen blicken durch Wolken

Im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitende Sensoren haben einen großen Vorteil; sie können durch Wolken hindurchsehen und die darunter liegende Oberfläche betrachten.

Wellenlängen und Frequenzen

In der Mikrowellen-Fernerkundung werden Wellenlängen mit einer Länge von Zehntelmillimetern bis Zentimetern eingesetzt. Sehr oft spricht man von der Frequenz anstatt von der Wellenlänge, besonders wenn es um den Sensor geht. In der untenstehenden Abbildung ist das Mikrowellenspektrum mit Wellenlängen und Frequenzen zu sehen.

Das Mikrowellenspektrum ist in mehrere Frequenzbereiche, sog. Frequenzbänder, die mit verschiedenen Buchstaben bezeichnet werden, unterteilt. Die Frequenzbandbezeichnungen sind ebenfalls der Abbildung zu entnehmen.

Es ist nützlich, wenn man zwischen Frequenzband, Frequenz und Wellenlänge wechseln kann. So ist zum Beispiel

• das C-Band in einem Größenbereich von 5 cm, 6 GHz
• das L-Band im Bereich von 20 cm, 1.5 GHz
• das Ku-Band im Bereich von 2 cm, 15 GHz

Im Mikrowellenbereich des Spektrums werden sowohl passive Techniken, bei denen der Sensor von der Oberfläche emittierte Srahlung misst, als auch aktive Techniken (Radar) eingesetzt, bei denen der Sensor ein Signal aussendet und die von der Oberfläche zurückkehrende Strahlung misst.

Passive Mikrowellen

Die Wärmeabstrahlung von Objekten besteht nicht nur aus Strahlung im infraroten Bereich des Spektrums. Objekte emittieren bei relativ niedrigem Energieniveau auch Mikrowellen. Die Intensität hängt von der Temperatur ab (das gilt für die Infrarotstrahlung), viel stärker wird sie jedoch von den physikalischen Eigenschaften, wie der Atomanordnung oder der Kristallstruktur, beeinflusst.

Eis emittiert typischerweise mehr Mikrowellenenergie als das flüssige Meerwasser. Daher können Sensoren, die passive Mikrowellenstrahlung erfassen, Meereis leicht vom Meerwasser unterscheiden.

Wolken emittieren im Vergleich zum Meereis nicht viel Mikrowellenstrahlung. Deshalb können Mikrowellen die Wolken durchdringen und unabhängig von der Wolkenbedeckung Tag und Nacht genutzt werden, um Meereis ausfindig zu machen.

Passive Mikrowellen-Daten weisen in der Regel eine schlechtere räumliche Auflösung als Infrarot-Daten auf. Ihr Energieniveau ist viel niedriger, weshalb die Strahlung über einem größeren Bereich gesammelt werden muss. Infolge dessen ist es nicht einfach, Details zum Meereis zu erfassen.

Die ersten Beobachtungen des Meereises mit Hilfe von Mikrowellensensoren wurden 1972 mit dem Messinstrument ESMR (Electrically Scanning Microwave Radiometer) an Bord des Nimbus-5 Satelliten der NOAA durchgeführt.

Passive Mikrowellensensoren geben uns Informationen zu

• der eisbedeckten Fläche (Eis sieht anders als das umliegende Wasser aus)
• der Konzentration des Eises
• der Eisart

Passive Mikrowellensensoren

Folgende Sensoren werden hauptsächlich für die Überwachung des Meereises eingesetzt:

• Scanning Multichannel Microwave radiometer (SMMR) von 1978 bis 1987
• Special Sensor Microwave/Imager (SMM/I) auf mehreren Satelliten von 1987 bis heute
• Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS (AMSR-E) auf dem Aqua Satelliten der NASA (von 2002 bis heute)

Diese Sensoren messen auch die Oberflächentemperatur des Meeres und die Windgeschwindigkeit über der Meeresoberfläche und liefern Daten zur Zusammensetzung der Atmosphäre, wie z.B. Wasserdampf-Gehalt und Gehalt flüssigen Wassers.