Lehrerinfos zum Kit 1: Erdbeobachtungssatelliten
Satellitenbilder sind Messwertkarten und keine Fotos;
Instrumente der Erderkundungssatelliten kennen

Das Themenset Nr. 1 stellt die großen Satellitenfamilien zur Erdbeobachtung sowie die beiden wichtigsten Umlaufbahnen – die geostationäre und die polare Umlaufbahn – vor.

Es ist das erste Set der Serie und beschreibt die grundlegenden Konzepte der Erdbeobachtung per Satellit und kann Unterrichtsthemen wie das Sonnensystem oder die Erde ergänzen.

Das Themenset bietet folgende Möglichkeiten:

• Einführung in die Erdbeobachtung;
• Einführung in die Entfernungsmaßstäbe im Weltraum (die Darstellung der Satellitenpositionen in der Abbildung auf den Innenseiten des Themensets entspricht dem Entfernungsmaßstab);
• Einführung in die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Satellitendaten.
• Unterrichtsideen: Messinstrumente für berührungslose Temperaturmessung einsetzen, das Wiedererkennen von Objekten aus der Vogelperspektive, das individuelle räumliche Auflösungsvermögen der Augen

Satellitenumlaufbahnen

Die Bewegungen der Satelliten um die Erde sind das Ergebnis der Gravitation. Der Einschuss eines Satelliten in seine Umlaufbahn gehorcht den physikalischen Grundgesetzen. Die Flugbahn hängt von der Ausgangsgeschwindigkeit des Satelliten ab. Ist seine Geschwindigkeit zu gering, beschreibt er eine Parabel und fällt auf die Erde zurück. Um auf einer Flugbahn in 800 km Höhe kreisen zu können, muss seine Ausgangsgeschwindigkeit bei ca. 7,5 km pro Sekunde liegen. Erreicht die Geschwindigkeit ca. 11 km pro Sekunde (Fluchtgeschwindigkeit), entfernt sich das Raumfahrzeug (z. B. eine Raumsonde) immer weiter von der Erde.

Da die Anziehungskraft der Erde (Schwerkraft) die Zentrifugalkraft (Fliehkraft) ausgleicht, kann ein Satellit über einen langen Zeitraum hinweg die gleiche Umlaufbahn einhalten. Da sich die Umlaufbahn der Satelliten außerhalb der Atmosphäre befindet, sind diese keinem bremsenden Luftwiderstand ausgesetzt und ihre Geschwindigkeit bleibt in einer stabilen Erdumlaufbahn viele Jahre lang konstant.

Ein Satellit umkreist die Erde allein aufgrund der von ihr ausgehenden Schwerkraft. Die mitgeführten Treibstoffreserven werden nur eingesetzt, um kleine Bahn- oder Höhenkorrekturen vorzunehmen.

Der Einfluss der Schwerkraft verringert sich, je weiter man sich von der Erde entfernt, während die Zentrifugalkraft mit der Geschwindigkeit des Satelliten in der Umlaufbahn steigt. Daher wirkt auf einen Satelliten in erdnaher Umlaufbahn eine vergleichsweise hohe Anziehungskraft, die durch schnelle Bewegung entlang der Umlaufbahn zur Erzeugung der benötigten Zentrifugalkraft ausgeglichen werden muss. Folglich besteht eine direkte Beziehung zwischen dem Abstand zur Erde und der Umlaufgeschwindigkeit eines Satelliten. In einer Höhe von 36 000 km beträgt die Umlaufzeit 24 Stunden und entspricht damit genau der Erdumdrehungszeit. Ein solcher Satellit, der über dem Äquator „steht”, bewegt sich also in Bezug auf die Erde nicht, er ist „geostationär”.

Satelliten, die sich in einer polaren Umlaufbahn befinden, überfliegen die Polargebiete in einer Höhe von 700 bis 800 km und sind mit entsprechend breiten Aufnahmestreifen in der Lage, innerhalb weniger Tage die gesamte Erdoberfläche abzudecken. Geostationäre Umlaufbahnen werden insbesondere von Telekommunikations- und Wettersatelliten genutzt. Drei geostationäre Satelliten mit einem Winkelabstand von 120° zum Erdmittelpunkt decken die gesamte Erdoberfläche ab.

Deckblatt

Aufnahme Deckblatt: Künstlerische Darstellung des Satelliten Envisat

Am 1. März 2002 startete die Europäische Weltraumorganisation Envisat, einen Erdbeobachtungssatelliten auf eine polaren Umlaufbahn, um Messungen der Atmosphäre, der Ozeane sowie von Land und Eis vorzunehmen. Die von Envisat übermittelten Daten unterstützen die geowissenschaftliche Forschung und ermöglichen die Überwachung von Umwelt- und Klimaveränderungen.

Mittelteil

Die Erde wurde hier mit Blick auf den afrikanischen Kontinent dargestellt, wodurch die Position von Meteosat zur Erde in etwa realitätsgetreu wiedergegeben werden kann. Der über dem Golf von Guinea stationierte geostationäre europäische Satellit Meteosat befindet sich auf dieser Abbildung rechts von der Erde. Ein Beobachter, der Meteosat aus dem All an dieser Stelle sehen würde, befände sich somit zwingenderweise über dem amerikanischen Kontinent.

Bild Nr. 1: Die Erde

Dieses Bild der Westhalbkugel wurde mithilfe einer Datenkombination verschiedener Erdbeobachtungsinstrumente erstellt. Die Daten bzgl. der Wolkenmassen wurden vom Satelliten GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) bereitgestellt. Die Meeresdaten stammen von SeaWiFS (Sea-viewing Widet Field-of-view Sensor), die Vegetationsdaten vom Satelliten POES (Polar Orbiting Environmental Satellite) der NOAA. Vor der Westküste der USA ist der Hurrikan Linda zu erkennen (9. September 1997).

Bilder Nr. 2, 3, 4: Argentinien – Das Ufer des Rio de la Plata – Buenos Aires (Envisat – 2004)

Das Ballungszentrum von Buenos Aires (12 Millionen Einwohner) liegt am Ufer des Rio de la Plata, der natürlichen Grenze zwischen Argentinien und Uruguay. Die Hauptstadt von Uruguay (Montevideo – 1,3 Millionen Einwohner) befindet sich an der nördlichen Flussmündung. Der Rio de la Plata verfrachtet jährlich 57 Millionen Kubikmeter Sedimente, die insbesondere aus seinen größten Nebenflüssen Paraná und Uruguay stammen.

Das Ästuar ist an seiner Mündung 219 km breit.

Bilder Nr. 5, 6, 7: Aufnahmen des Satelliten Meteosat von der Erde

Die auf die Erde auftreffenden Sonnenstrahlen werden entweder absorbiert oder reflektiert. Die reflektierte und re-emittierte Strahlung im sichtbaren und nicht sichtbaren Bereich (nahes bis thermales Infrarot) wird vom Satelliten gemessen. Je nach Aufnahmebereich oder Kanal reflektieren Schnee, Eis, unbewachsene Böden, Vegetation und Wasserflächen unterschiedlich stark.

Mithilfe dieser Messungen werden Schwarzweißbilder erzeugt, die anschließend bearbeitet zu farbigen Bildern der Erde überlagert werden können (Bild in der Mitte). Je nach eingesetztem Kanal können auch Aufnahmen erzeugt werden, auf denen die Vegetation (Bild in der Mitte) oder Wolkentypen (Bild rechts) erkennbar sind.

Meteosat dreht sich mit hoher Geschwindigkeit um die eigene Achse, die parallel zur Erdachse ausgerichtet ist und vollführt 100 Umdrehungen pro Minute. Bei jeder dieser Umdrehungen tastet er einen 5 km breiten Streifen von Osten nach Westen ab. Dabei wird der Scannerspiegel bei jeder Umdrehung des Satelliten neu ausgerichtet, um einen neuen Streifen erfassen und so ein Gesamtbild erzeugen zu können.

Die neue MSG (Meteosat Second Generation) generiert alle 15 Minuten multispektrales Bilddatenmaterial von Erdoberfläche und Wolkensystemen und deckt insgesamt zwölf Spektralkanäle ab. Die geometrische Auflösung wurde im Vergleich zu den Vorgängermodellen ebenfalls enorm verbessert (1 km im hoch auflösenden Kanal im sichtbaren Bereich und 3 km in den anderen Kanälen). Acht der Kanäle arbeiten im thermischen IR-Bereich und liefern unter anderem permanent Informationen über Wolken-, Land- und Meeresoberflächentemperaturen. Mit Kanälen, die Ozon, Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid absorbieren, ermöglicht die MSG Meteorologen und Klimaforschern die Analyse von Parametern der Luftmassen und somit eine dreidimensionale Darstellung der Atmosphäre.

Aufnahmen von Europa und Buenos Aires

Bild Nr. 8: Aufnahmen des Satelliten Envisat von Europa

Für die Darstellung Europas ohne Wolkendecke mussten mehrere Dutzend Aufnahmen kombiniert werden, die im Laufe des Jahres 2004 erstellt wurden. Die Daten hierfür hat das MERIS-Instrument (Medium Resolution Imaging Spectrometer) auf Envisat geliefert.

Bilder Nr. 9, 10, 11: Aufnahme des Satelliten Spot-5 von Buenos Aires

Die neuen HRG-Teleskope mit hoher geometrischer Auflösung des Satelliten Spot-5 erstellen hochauflösende Bilder der Erde. Die räumliche Auflösung liegt bei 10 m in Farbe (multispektrale Daten) und bei 2,5 bis 5 m im panchromatischen Licht. Hierbei werden Lichtintensitäten des gesamten sichtbaren Lichts zusammen gemessen.  Die hohe Lichtausbeute ermöglicht die bessere räumliche Auflösung. Das Blickfeld des Satelliten ist 60 km breit. Eine Aufnahme mit einer räumlichen Auflösung von 2,5 m deckt eine Fläche von 60 km x 60 km ab und ist 576 MB groß.

Die Aufnahmen des Satelliten Envisat von Buenos Aires vervollständigen die Bilder der Region des Rio de la Plata im Mittelteil des Themensets.

Die Funktionen von Erderkundungssatelliten

Bild Nr. 12: Künstlerische Darstellung des Satelliten Envisat

Der Wiederholzyklus von Envisat beträgt 35 Tage, die zeitliche Auflösung beträgt also 35 Tage. Nach dieser Zeit überfliegt der Satellit exakt den gleichen Punkt der Erde und beginnt seine Erdumrundung erneut auf derselben Flugbahn. Nach Ablauf dieser 35 Tage hat der Satellit 501 vollständige Umdrehungen auf seiner Umlaufbahn vollführt, während die Erde nur 35 ganze Umdrehungen absolviert hat. Dabei befindet sich Envisat auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn, d. h. er überfliegt jeden Punkt der Erdoberfläche stets zur gleichen Tageszeit. Da die Aufnahmebedingungen tageszeitlich identisch sind, ist es möglich, jahreszeitliche Veränderungen in Bildern zur gleichen „Szene“ besonders gut verfolgen zu können.

Bild Nr. 13: Schematischer Aufbau des Satelliten Envisat und seiner wichtigsten Instrumente

Die entsprechenden Daten werden mithilfe von 10 komplementären Instrumenten zusammengestellt:

MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) ist ein abbildendes Spektrometer mit einer mittleren räumlichen Bodenauflösung von 300 m und 15 Spektralbändern im sichtbaren und nahen Infrarotbereich. Eine der wichtigsten Aufgaben von MERIS besteht in der Messung der Meeresfarbe zur Berechnung der Chlorophyllkonzentration. Diese Daten sind für die Erforschung des Kohlenstoffkreislaufs der Weltmeere von großer Bedeutung.

Das verbesserte synthetische Apertur-Radar ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) nutzt Radarsignale zur Kartierung von Landflächen, zur Abbildung von Wellen und Meereis, zur Überwachung der Landnutzung und der Vegetation sowie zur Messung bestimmter Bodenbeschaffenheiten.

GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars) ist ein Instrument zur globalen Ozonüberwachung durch die Messung der Helligkeit von Sternen, deren Licht durch die Atmosphäre abgeschwächt wird. Es ermöglicht die genaue Messung der in der Stratosphäre vorhandenen Ozonmenge sowie Profilmessungen von Spurengasen in der oberen Troposphäre und der Mesosphäre.

GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) ist ein Instrument zur weltweiten Ozonüberwachung, das das von der Erdoberfläche rückgestreute Sonnenlicht senkrecht zur Erde abtastet (Nadir-Modus).

Das abbildende Abtast-Absorptionsspektrometer für atmosphärische Kartografie SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography) ist der wichtigste Atmosphären-Sensor an Bord von Envisat. Er setzt verschiedene Mess-Modi ein. Aus den Daten können Erkenntnisse über die dreidimensionale Verteilung von Gasen in der Troposphäre und unteren Stratosphäre gewonnen werden.

Das Michelson-Interferometer zur passiven Sondierung der Atmosphäre MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) wird von Envisat für die Messung von Gas-Emissionen im mittleren Infrarot-Spektrum eingesetzt. Damit lässt sich insbesondere die Zusammensetzung von Industrieabgasen bestimmen.

Das verbesserte in Flugrichtung abtastende Radiometer AATSR (Advanced Along Track Scanning Radiometer) tastet Land- und Wasserflächen ab, um die Meerestemperaturen zu bestimmen. Es erfasst Brandherde von Waldbränden und kartografiert die Ausdehnung der Vegetation in verschiedenen Gebieten.

DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) ist ein satellitengestützes Funksystem zur kontinuierlichen Berechnung der Position des Satelliten auf seiner Umlaufbahn. Diese Position wird über Signale, die das Instrument über 50 auf der ganzen Welt verteilte Funksender erhält, mit zentimetergenauer Präzision ermittelt.

RA-2 und MWR: Der Radar-Höhenmesser RA-2 misst auf die Nanosekunde genau die Rückkehrzeit des Signals und berechnet den Abstand zur Erde mit einer Präzision von 4 cm. Das Mikrowellenradiometer MWR (Microwave Radiometer) misst die Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre und ermöglicht die Korrektur eventueller Messfehler von RA-2, wodurch dessen Präzision noch erhöht wird.

Der Laser-Retro-Reflektor LRR (Laser Retro-Reflector) ermöglicht die Eichung von DORIS und RA-2.

Envisat tastet kontinuierlich die Erdoberfläche und -atmosphäre ab. Während zwei Drittel seiner Flugzeit befindet sich der Satellit über dem Meer. Die sich bewegenden Wassermassen des Ozeans, der komplexe Wärmeaustausch, auf den diese Bewegungen zurückzuführen sind und sein Wärmeaustausch mit der Atmosphäre machen diesen zu einem wichtigen Beobachter des Klimaverhaltens der Erde und dessen Veränderungen.

(Mehr dazu bei Wikipedia.)

Die umfassenden Kapazitäten der Bordinstrumente von Envisat werden anhand von drei Aufnahmen veranschaulicht:

Bild Nr. 14: Der Ärmelkanal nördlich der Bretagne (Envisat / MERIS)

Auf dieser Aufnahme ist eine Algenblüte (rasche Entwicklung von Phytoplankton) vor der bretonischen Küste zu erkennen, die sich über ca. 400 km erstreckt.

Bild Nr. 15: Aufnahme der durch den Tanker Prestige verursachten Ölpest (Envisat / ASAR – Nov. 2002)

Das aus den Tanks des Öltankers Prestige austretende Erdöl treibt vor der galizischen Küste. Auf Radarbildern erscheint die Meeresoberfläche dunkel bis hell, je nachdem, wie rauh die See ist. Im Bereich der Verschmutzung werden die Wellen durch das Öl geglättet. Dort ist das rückgestreute Radarsignal viel schwächer und dieser Bereich wird entsprechend dunkler abgebildet.

Bild Nr. 16: Die europäischen NO2-Emissionen (Envisat / SCIAMACHY)

Diese Aufnahme des Instituts für Umweltphysik (IUP) in Heidelberg wurde anhand von Messungen des Instruments SCIAMACHY erstellt, die sich über einen Zeitraum von 18 Monaten erstreckten. Dieses Instrument zeichnet das Spektrum des durch die Atmosphäre fallenden Sonnenlichts auf. Die zur Verfügung stehenden Daten und Messungen der Luftverschmutzung mithilfe von am Boden stationierten Sensoren sind nicht sehr umfangreich und eine effiziente globale Überwachung ist nur über Sensoren im Weltraum möglich.

Unterrichtsideen

Level 1, Jgst. 5 und 6:

- zum Kit
- zum Thema Umlaufbahnen
- zum Thema Erdbeobachtung

Level 2, Jgst. 7 mit 9:

- zum Kit
- zum Thema Umlaufbahnen
- zum Thema Erdbeobachtung

Level 3, Jgst. 10 mit 12:

- zum Kit
- zum Thema Umlaufbahnen
- zum Thema Erdbeobachtung