Ergänzung 5.3: Satellitenmessungen von Meereis (3/4)

Radarsensoren

Radarsensoren sind aktive Mikrowellensensoren. Sie senden einen Strahl oder Impuls Radioenergie hinunter an die Erdoberfläche und registrieren anschließend die reflektierte Strahlungsenergie oder die Streuung. Die physikalischen Eigenschaften von Objekten an der Erdoberfläche bestimmen die Menge und Art der zum Sensor zurückkehrenden Strahlung.

Die Rauheit der Oberfläche hat einen wesentlichen Einfluss auf die Art, wie die Strahlung reflektiert und gestreut wird. Glattes Eis oder mit einer dünnen Schmelzwasserschicht bedecktes Eis verhalten sich wie Spiegel, während raues oder mit Schnee bedecktes Eis die Strahlung in verschiedene Richtungen streut. In Ergänzung 5.2 finden Sie weitere Informationen zu Reflexion und Streuung.

Ein Radartyp, das sog. Altimeter, blickt senkrecht auf die Oberfläche (Einfallswinkel von Null) und misst das Signal, dass im gleichen Winkel zum Radar zurück reflektiert wird. Es handelt sich dabei um das Spiegelmodell der Reflexion. Andere Radarsensoren, Scatterometer und Bildradarsensoren, sind in einem Einfallswinkel von 20 bis 50 Grad auf die Erde ausgerichtet und messen das Signal, welches durch Rauheit der Oberfläche zurück gestreut wird.

Die räumliche Auflösung, die man mit Radarsensoren erzielen kann, beträgt einige zehn Meter bis mehrere zehn Kilometer.

Höhenmessung

Das Radaraltimeter sendet einen Radarenergie-Impuls in Richtung der Erde und misst die Zeit, die er benötigt, um zum Sensor zurück zu kehren. Die so gemessene "round-trip time" gibt die Entfernung des Satelliten von der reflektierenden Oberfläche an. Ist die exakte Position des Satelliten relativ zu einer Bezugsebene bekannt, so kann die Höhe von Punkten an der Oberfläche bestimmt werden.

Ein Altimeter, das sich auf einem Satelliten 1000 km über der Erde befindet, kann Unterschiede der Oberflächenhöhe in der Größenordnung von ein paar Zentimetern messen. Die Altimeter, die auf Satelliten zum Einsatz kommen, arbeiten üblicherweise im Bereich des Ku-Frequenzbandes oder des C-Bandes.

Siehe die Lerneinheit Meeresströmungen für mehr Informationen zur Höhenmessung.

Altimeter können die Dicke von schwimmendem Meereis bestimmen, indem sie das 'Freibord' der Eisschollen messen; das ist die Höhe, mit der das Eis über die Wasseroberfläche hinausragt. Diese Höhe wird auch von dem Infrarotlaser auf dem Satelliten ICESat gemessen, aber Radarmessinstrumente können auch durch Wolkenbedeckung blicken (siehe Internetseite von ICESat. Radaraltimeter wie die auf ERS-1, ERS-2 und ENVISAT vorhandenen, haben bewiesen, dass diese Technik funktioniert, obwohl sie nur eine Auflösung von einigen Kilometern besitzen.

Der Satellit CryoSat-2, der 2009 von der Erde starten soll, wird mit einem Ku-Frequenzband-Radaraltimeter ausgestattet sein, das speziell dafür entwickelt wurde, die Dicke von Meereis zu messen. CryoSat-2 wird eine verbesserte räumliche Auflösung von 250 m erreichen. Im Vergleich dazu ist die Ausleuchtzone, in welcher ICESat Laser aussendet, 70 m breit.

Um eine Abdeckung fast aller polaren Gebiete leisten zu können, wird CryoSat-2 die Erde mit einem außergewöhnlich hohen Neigungswinkel umkreisen, wobei er Breitengrade von 88 Grad Nord und Süd erreicht. Andere Altimeter reichen nicht so weit nach Norden oder Süden. Zum Beispiel hat das Altimeter an Bord von ENVISAT nur eine Reichweite bis 81,5 Grad Nord.

Scatterometer

Das Scatterometer ist ein Streulichtmessgerät, dass bei schiefem Einfallswinkel arbeitet. Es misst die Energiemenge, die durch eine raue Oberfläche zurück in Richtung des Sensors gestreut wird. Eine glatte Oberfläche reflektiert den Radarimpuls vom Sensor weg. Das Scatterometer ist ein weitreichendes Messinstrument, zum Beispiel hat Quikscat eine Reichweite von 1800 km und eine räumliche Auflösung, die im Bereich zwischen 20 und 50 km liegt.

Ein zusammengesetztes Bild, das aus Scatterometerdaten von Quikscat erstellt wurde, zeigt die Arktis am 4. Januar 2008. Obwohl die Satellitenbahn den Pol nicht genau abdeckt, bewirkt die Reichweite des Messinstrumentes, dass sich am Pol nur eine kleine Lücke befindet. Bildquelle: Environment Canada

Während der größte Kontrast zwischen Wasser und Eis besteht, beeinflussen auch das Alter des Eises und die Dicke der Schneedecke die Rauheit der Oberfläche.

Scatterometer können täglich, sowohl tagsüber als auch nachts und sogar bei Wolkenbedeckung Daten über das Meereis liefern und zwar ungefähr mit der gleichen Genauigkeit, wie die passiven Mikrowellensensoren. Der SeaWinds-Sensor an Bord des QuikSCAT (Quick Scatterometer) Satelliten der NASA ist ein Ku-Band-Messinstrument und liefert täglich globale Ansichten der Meerwinde und des Meereises. Das ASCAT-Scatterometer auf dem MEtop-Satelliten ist ein C-Band-Messinstrument.

Abbildendes Radar

Das ASAR-Bild von ENVISAT zeigt die McClure-Straße im Archipel der kanadischen Arktis, aufgenommen am 31. August 2007. Dies ist der direkteste Schifffahrtsweg zur Nordwestpassage.
Quelle: ESA

Der synthetische Aperturradar (SAR) ist ein Bildradarsensor, der auf Satelitten eingesetzt wird. Er kann Bilder mit einer Auflösung von 10 oder 20 Metern aufnehmen, um eine so gute Auflösung zu erzielen ist jedoch eine starke Bearbeitung der Bilder erforderlich. Der SAR-Sensor arbeitet, wie das Scatterometer, bei schiefem Einfallswinkel und die stärkste Rückstrahlung kommt von rauen Oberflächen.

Meereis wirft normalerweise mehr Radarstrahlung zurück, als das umliegende Meer. Daher ist es einfach zwischen den beiden zu unterscheiden. Die Art des Eises und der Schneebedeckung beeinflussen das zurückkehrende Signal; es ist aber nicht immer einfach, die Daten zu interpretieren. Junges Eis, bei dem sich noch Salzwasser zwischen den Eiskristallen befindet, neigt dazu, weniger stark zu reflektieren als mehrjähriges Eis. SAR kann daher Informationen zum Verhältnis dicken Eises im Vergleich zu dünnem Meereis liefern.

Aufgrund ihrer hohen Auflösung sind die SAR-Instrumente in der Lage, sogar kleine Risse im Meereis festzustellen. SAR-Daten werden genutzt, um dabei zu helfen, Schiffe durch eisbedeckte Gebiete zu leiten. SAR-Bilder sind besonders wertvoll für betriebliche Eiszentren, wie das Nationale Eiszentrum und den Kanadischen Eisservice, die so mehr über ihre Meereisprodukte erfahren können.