publizierten “Earth Observing Handbook” zu finden sind.
Da bei den aktiven Methoden die zur Messung verwendete Strahlung am Satelliten erzeugt wird, sind die Geräte mehr als ein Radiometer, das heißt mehr als Geräte, die Strahlung nur messen. Hier ist deshalb der allgemeinere Begriff „Messsystem“ angemessen, aber in der Praxis werden für diese Geräte gleich die den Wellenlängenbereich kennzeichnenden Begriffe „Lidar“ und „Radar“ verwendet. Auch hier gilt, dass die dominierende Messaufgabe als Typenbezeichnung benutzt wird. So werden Sensoren, die die Rückstreuung von Oberflächen mittels Mikrowellen messen, als „Scatterometer“ bezeichnet. „Altimeter“ bestimmen die Höhe über Grund, und auch der Begriff „Abbildendes Radar“ kommt vor.
Bei Satelliten, die nur ein Radiometer tragen, steht häufig ein Name synonym sowohl für das Radiometer als auch für den Satellit. Bei Satelliten mit mehreren Sensoren ist es klar, dass der Satellit Träger ist und die verschiedenen Sensoren jeweils eigene Namen haben.
Ein weiterer Aspekt sprachlicher Unterschiede sind die Symbole, die von verschiedenen Gruppen für bestimmte Strahlungsgrößen verwendet werden. So steht bei Lidar-Anwendungen α für den Extinktionskoeffizienten, während hierfür bei Nutzern passiver Radiometer σext verwendet wird. Bei dieser Gruppe steht α für den Ångstrom-Parameter, der die Änderung von Strahlungsgrößen mit der Wellenlänge beschreibt. Der Buchstabe τ wird manchmal für die Transmission verwendet, aber auch für die sogenannte optische Dicke. Und für die Frequenz steht in der DIN der Buchstabe f, während Physiker hierfür üblicherweise das griechische ν benutzen, wie Einstein in seinem berühmten Äquivalenzgesetz (Gl. 2.1).
In den verschiedenen Disziplinen werden Symbole also verschieden benutzt. Aus diesem Grund macht es auch wenig Sinn, in diesem Buch eine komplette Vereinheitlichung der Symbolik vorzunehmen, wie es üblicherweise von Lehrbüchern erwartet wird. Der Leser wird die passende Verwendung der Symbole den jeweiligen Anwendungskapiteln entnehmen können.
1.3 Grundlagen
Die Satellitenmeteorologie gehört zur meteorologischen Fernerkundung. Bei der Fernerkundung werden Informationen über ein Objekt gewonnen, ohne mit diesem direkt in Kontakt zu stehen, im Gegensatz zu In-situ-Verfahren. Nach dieser allgemeinen Definition handelt es sich auch bei menschlichen Wahrnehmungen wie dem Sehen einer Wolke oder dem Hören des Donners um Fernerkundung. In diesem Buch ist die Betrachtung meteorologischer Fernerkundung jedoch beschränkt auf satellitengestützte Messung von elektromagnetischer Strahlung zur Untersuchung meteorologisch relevanter Atmosphären- und Oberflächeneigenschaften der Erde.
1.3.1 Vorteile der Satellitenmeteorologie
Speziell in der Meteorologie ist die Fernerkundung wichtig, da hier die interessierenden Objekte meist nicht direkt zugänglich sind, wie Wolken, Staubwolken oder Spurengaskonzentrationen in der Stratosphäre. Weiter haben meteorologische Systeme oft eine große Ausdehnung, sodass deren Zusammenhang erst aus großer Entfernung sichtbar wird. Dies gilt zum Beispiel für die Erkennung der Wolkenspiralen von Tiefdruckgebieten, die von Satelliten aus vollständig als Wetterfronten erfasst werden können. Ein weiterer Vorteil der Fernerkundung mittels Satelliten ist die Möglichkeit, in kurzer Zeit mit einem einzigen Gerät Information von verschiedenen Orten zu erhalten, global und zugleich relativ kontinuierlich. Die Möglichkeit, von einem Satelliten aus gleichzeitig mit verschiedenen Sensoren zu messen, erlaubt es zeitgleich unterschiedliche Parameter für einen Ort zu erkunden.
Neben der Möglichkeit der Untersuchung ganz verschiedener meteorologischer Größen muss auch der Aspekt der zeitlich dichten Überwachung als Vorteil der Satellitenmeteorologie genannt werden. Vom Satelliten aus wird, abhängig von der Flugbahn, dieselbe Größe am selben Ort mit Abständen von fünf Minuten bis hin zu einigen Tagen gemessen (Kap. 4). Dies erlaubt sowohl die Windbestimmung aus der Verlagerung von Wolken als auch die Verfolgung anderer bewegter Objekte wie Staubwolken oder Eisschollen. Satelliten und Sensoren, die ihre Messaufgabe wegen ihres Alters nicht mehr erfüllen, werden in der Regel durch adäquate neue Satelliten ersetzt. Das ermöglicht langfristige Messungen über viele Jahre hinweg und damit die Überwachung des Klimas und die Entdeckung von Änderungen und Trends.
Schließlich hat die Satellitenmeteorologie den Vorzug, dass die finalen Kosten für die einzelne Messung nicht hoch sind, verglichen mit bodengebundenen Messungen für ein größeres Gebiet und über einen längeren Zeitraum. Dies gilt trotz der großen Summen, die für einen weltraumtauglichen Sensor und den Raketenstart aufgebracht werden müssen.
Prinzipiell ist für viele der in den folgenden Kapiteln beschriebenen Anwendungen die Messung der interessierenden meteorologischen Größe auch vom Boden aus möglich, aber eben nur in Regionen, wo das Messnetz dicht und gut ausgebaut ist, und unter Beschränkung auf die erdgebundene Perspektive. Dabei werden auch für die Messungen vom Boden aus durchaus Fernerkundungsmethoden eingesetzt (z. B. Sonnenfotometer, Aerosollidar). Aber speziell bei der Nutzung von Methoden, die aufwendig und kostenintensiv sind, ist das Bodenmessnetz auf die Industriestaaten beschränkt. Weiter ist klar, dass für die Ozeane, Wüsten und Polargebiete, die mehr als zwei Drittel der Erde ausmachen, kaum aktuelle Information aus bodennahen Messnetzen verfügbar ist. Zudem verzeichnen die satellitenmeteorologische Messtechnik und die Dateninterpretation immer noch große Fortschritte, durch die die Ergebnisse verbessert und das Spektrum der zu messenden Größen erweitert werden.
Um einen meteorologischen Parameter zeitlich und räumlich relativ dicht zu erfassen kann in der Satellitenmeteorologie ein Instrument für die ganze Erde verwendet werden. Das hat den Vorteil, dass nicht, wie dies bei einem Bodenmessnetz der Fall ist, die Ergebnisse verschiedener Instrumente aneinander angepasst werden müssen.
Beschränkungen der Satellitenmeteorologie bestehen darin, dass manche Größen nur ungenau und andere nur indirekt bestimmt werden können. Da die Möglichkeiten der Satellitenmeteorologie aber so vielfältig und umfassend sind, überwiegen deren Vorteile deutlich.
1.3.2 Probleme der Satellitenmeteorologie
Jede Fernerkundung beinhaltet das Problem, dass die gemessene Information – bei der Satellitenmeteorologie immer eine Strahlungsgröße – auf die eigentlich interessierende Ursache zurückgeführt werden muss. Das gemessene Signal muss in die gesuchte Größe „invertiert“ werden.
Strahlung von der Sonne oder einer künstlichen Strahlungsquelle wird in der Atmosphäre gestreut und absorbiert sowie am Boden reflektiert. Weiter werden von der Materie in der Atmosphäre und dem Boden Photonen emittiert und auch wieder gestreut und absorbiert. Die am Oberrand der Atmosphäre austretende Strahlung ist durch diese Prozesse eindeutig bestimmt. Wenn alle strahlungsrelevanten Eigenschaften der Substanzen in der Atmosphäre und am Boden bekannt sind, kann das Strahlungsfeld, und damit auch die für die Fernerkundung zu nutzende Strahlung am Satelliten, genau berechnet werden. Dies geschieht mithilfe von Computermodellen, die alle Prozesse des Strahlungstransports auf dem Weg von der Strahlungsquelle zum Satelliten berücksichtigen. Dieser Weg, von den Eigenschaften von Atmosphäre und Boden zum Strahlungsfeld am Satelliten, ist eindeutig. Er wird häufig als „Vorwärtsrechnung“ bezeichnet (Abb. 1.3). Der umgekehrte Weg, von einer am Satelliten gemessenen Strahlungsinformation zu den verursachenden meteorologischen oder geophysikalischen Eigenschaften, ist im Allgemeinen nicht eindeutig. Diese sogenannte „Rückwärtsrechnung“ oder „Invertierung“ ist immer mehr oder weniger unsicher und fehlerbehaftet, da unterschiedliche Kombinationen von Atmosphären- und Bodeneigenschaften das gleiche Signal am Satelliten ergeben können oder zumindest Signale, die sich im Rahmen der Messgenauigkeit nicht unterscheiden lassen.
Abb. 1.3
Zum Unterschied zwischen Strahlungsübertragungsmodellierung und Invertierung
Das prinzipielle Problem der Invertierung lässt sich gut mit dem des Fährtensuchers vergleichen: Wenn ein Tier mit all seinen Eigenschaften bekannt ist, können seine Fußabdrücke vorhergesagt werden. Aber umgekehrt ist es nur bedingt möglich, aus den Fußabdrücken auf die genauen