Einleitung

Die vorliegende Arbeit dient der inhaltlichen Vervollständigung und Abrundung des Themenblocks „passive Landerkundungssatelliten“. Dazu wird zunächst auf die Gruppe der meteorologischen Satelliten eingegangen, wobei einige ausgewählte Satellitenmodelle bzw. -serien beispielhaft herausgegriffen werden. Anschließend sollen zukünftige Entwicklungen im Bereich der passiven Satellitenaufnahmesysteme am Beispiel der Hyperspektralscanner aufgezeigt werden. Abschließend werden Möglichkeiten diskutiert, wie die bisher behandelten passiven

Landerkundungssatelliten sinnvoll klassifiziert werden können, um letztendlich einen einprägsamen Überblick über die verschiedenen Systeme zu erhalten.

1 Meteorologische Satelliten

1.1 Allgemeines

Meteorologische Satelliten müssen speziellen Anforderungen genügen, die nicht mit den Erfordernissen der landbezogenen Fernerkundung übereinstimmen. Dementsprechend unterscheiden sich auch die fernerkundlichen Methoden zum Teil erheblich. Zum einen ist für Wettersatelliten die Erfassung der dynamischen, mitunter sehr kurzfristigen Änderungen der Atmosphäre entscheidend. Zum anderen sollten ihre Sensoren in der Lage sein, die für klimatologische Analysen relevanten Bereiche der elektromagnetischen Strahlung zu registrieren. Als Konsequenz daraus ergibt sich, dass die Wiederholrate, also die temporale Auflösung, von großer Wichtigkeit ist. Vergleichsweise unbedeutend ist dagegen die räumliche Auflösung, die bei den meisten meteorologischen Satelliten im Kilometerbereich liegt und damit weit unter dem Niveau von Landerkundungssatelliten wie SPOT 5 (5 m) oder Quickbird-2 (bis zu 61 cm) zurückbleibt. Außerdem verfügen Wettersatelliten über spezielle Spektralkanäle, beispielsweise in den Absorptionsbanden des Wasserdampfes, die bei der Landerkundung kaum eine Rolle spielen. Um die genaue Intensität der relevanten elektromagnetischen Strahlung erfassen zu können, ist eine hohe radiometrische Auflösung für meteorologische Belange unerlässlich (vgl. LÖFFLER et al. 2005 : 73 f. ; ALBERTZ 2001: 218).

Grundsätzlich können meteorologische Satelliten durch die Art ihrer Umlaufbahn in zwei Kategorien unterschieden werden. Die einen befinden sich auf einer geo-

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stationären bzw. geosynchronen Umlaufbahn (GEO = geostationary earth orbit) in ca. 35.800 km Höhe über dem Äquator und scheinen immer am gleichen Punkt über der Erdoberfläche zu schweben, da sie mit der Erdrotation Schritt halten. Zu diesem Typ gehören unter anderem die METEOSAT- und die GOES-Serie. Ergänzt werden sie durch polar-umlaufende Satelliten, die sich auf viel niedrigeren (ca. 700-1.400 km Höhe) und gegen die Äquatorebene stark geneigten Orbits befinden (LEO = low earth orbit). Ein bekannter Vertreter ist beispielsweise die NOAA-Serie. Im Vergleich zu polar-umlaufenden Landerkundungssatelliten tasten sie jedoch weitaus breitere Streifen der Erdoberfläche ab, da dies die temporale Auflösung verbessert und die räumliche Auflösung ohnehin nicht so entscheidend ist (Streifenbreite Ikonos-2: 13 km, NOAA-18: 2160 km (vgl. Löffler et al. 2005 : 74, 77; Albertz 2001: 217).

wohl für den Betrieb der Satelliten als auch für die Bereitstellung und Vermarktung der Daten zuständig. Ein großer Kunde der EUMETSAT ist zum Beispiel der Deutsche Wetterdienst (DWD). Derzeit sind noch METEOSAT 5, 6 und 7 in Betrieb, wobei ersterer seit 2005 das Tsunami-Warnsystem im Indischen Ozean unterstützt. Die erste METEOSAT-Serie wird jedoch mittlerweile durch METEOSAT Secound Generation (MSG) fortgeführt (siehe B 3) (vgl. DWD 2006: Wetterlexikon-METEOSAT. Stand: 02.02.2006).

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Bei METEOSAT handelt es sich um einen geostationären Satelliten, der sich über dem Schnittpunkt von Äquator und Nullmeridian, also über dem Golf von Guinea, in etwa 35.800 km Höhe, befindet. Als dreh-stabilisierter (spin-stabilized) Satellit, dreht er sich mit 100 rpm um die eigene Achse, die parallel zur Erdachse ausgerichtet ist. So ist es dem Sensorensystem möglich, bei jeder Umdrehung einen Streifen der Erdoberfläche von fünf Kilometern abzutasten. Nach jeder Umdrehung wird das dem Sensor vorgelagerte Teleskop minimal gekippt, sodass bei der nächsten Umdrehung der benachbarte Geländestreifen erfasst werden kann. Nach 2.500-maliger Wiederholung dieses Vorgangs entsteht ein komplettes Abbild der aus dieser Perspektive erfassbaren Erdhalbkugel (= full disc, vgl. Abb. 2). Der Abtastvorgang für eine full disc dauert 25 Minuten, wozu allerdings noch fünf Minuten zur Neuausrichtung des Teleskops addiert werden müssen, woraus sich letztendlich eine temporale Auflösung von 30 Minuten ergibt (vgl. Löffler et al. 2005 : 75).

Abb. 2 : METEOSAT Full-Disc

Die so entstandenen Bilder werden häufig im Fernseh-Wetterbericht aneinander ge- reihtund in Form eines „Satellitenfilms“ in wenigen Sekunden nach dem Zeitraffer- prinzipabgespielt.

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Was die Aufnahmetechnik angeht, so verfügt METEOSAT über das Multispektralradiometer VISSR (single imaging Visible and IR Spin Scan Radiometer), welches auf drei Kanälen scannt. Kanal 1 misst die elektromagnetische Strahlung im Bereich von 0,45-1,0 μm, also im sichtbaren Licht sowie im nahen Infrarot. Kanal 2 hingegen liefert mit einer spektralen Auflösung von 5,7-7,1 μm speziell für die Meteorologie relevante Daten. Dieser Wellenlängenbereich liegt im Wasserdampfabsorptionsband und registriert damit Strahlung, für welche die Atmosphäre kaum durchlässig ist. Dies ist recht ungewöhnlich, da sich die meisten anderen Scanner auf Bereiche hoher Durchlässigkeit, sogenannte atmosphärische Fenster konzentrieren. Auf diese Weise ist es möglich, die Menge des ansonsten unsichtbaren Wasserdampfes in der mittleren Atmosphäre zu analysieren. Kanal 3 schließlich registriert die Thermalstrahlung (thermisches Infrarot) von 10,5-12,5 μm, wodurch die Oberflächen- temperaturenvon Land-, Meeres- und Wolkenoberflächen erfasst werden können. Die Darstellung erfolgt hier allerdings negativ, da sonst die kalten Wolken dunkler als die darunter liegenden Landflächen erschienen, was dem natürlichen optischen Empfingen zuwider liefe. Abbildung 3 gibt einen Überblick über Bilder der drei Kanäle, die zur gleichen Zeit aufgenommen wurden (vgl. Eduspace, Wettersatelliten. 03.02.2006; Albertz 2001: 217, 218).

Abb. 3:

METEOSAT-Bilder von Kanal 1 (links), Kanal 2 (Mitte) und Kanal 3 (negativ, rechts).