Eyes in the Sky Wetterbeobachtung und Atmosphärenforschung mit Satellitensensoren Dr. Stefan...

Eyes in the SkyWetterbeobachtung und

Atmosphärenforschung mit

Satellitensensoren

Dr. Stefan Bühler

Institut für Umweltphysik

SaMPhys

Sa., 22.11.2003, 10 Uhr , Hörsaal 2

Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 2

Nur Science-Fiction?

80% Stickstoff, 20% Sauerstoff. Dazu Spuren von Wasserdampf, Kohlendioxid und Argon.

Mr. Spock, was sagen Ihre Sensoren?

Übersicht

• Warum?

• Geostationäre und polare Orbits

• Spektralbereiche, Wärmestrahlung

• Strahlung in der Atmosphäre

• NOAA Satelliten

• Envisat

• Zusammenfassung

Übersicht

• Warum?

• NOAA Satelliten

• Envisat

• Zusammenfassung

Warum Atmosphärenforschung mit Satelliten?

Schadstoffe Ozonschicht

Erwärmung

GlobaleVeränderung

WetterVorhersage

Wir brauchen Daten!

Übersicht

• Warum?

• NOAA Satelliten

• Envisat

• Zusammenfassung

Meteosat

Höhe?

36.000 km über dem Äquator

Geostationärer Orbit

Höhe: 36.000 km

Umlaufzeit: 23h 56min

Kepler:

Umlaufzeit2 ~ Radius3

Geostationäre Satelliten

Weit über 100, hauptsächlich für Fernsehen und Telekommunikation

Meteorologie:• Meteosat (Europa)• GOES (USA)• GMS (Japan)• INSAT (Indien)• GOMS (Russland) Vorteile/Nachteile?

Polare Orbits

Höhe: ~800 km

Umlaufzeit: 1h 40min

Spezialfall Sonnensynchron: Satellit kommt jeden Tag zur gleichen Zeit vorbei.

Satelliten in polaren Orbits

• Terra und Aqua (amerikanisch)– MODIS

• Envisat (europäisch)– SCIAMACHY– MIPAS

• NOAA 15, NOAA 16, NOAA 17 (amerikanisch)– AMSU– HIRS– AVHRR

Was fliegt denn da?

• Webtip:

http://science.nasa.gov/Realtime/

Welcher Satellit ist wo?

Übersicht

• Warum?

• NOAA Satelliten

• Envisat

• Zusammenfassung

Elektromagnetische Strahlung

= elektromagnetische Wellen

• Wir verwenden nur einen kleinen Teil zum Sehen

Das elektro-magnetische

Spektrum

Elektromagnetische Strahlung

= elektromagnetische Wellen

• Wir verwenden nur einen kleinen Teil zum Sehen

• Zur Fernerkundung kann im Prinzip das ganze Spektrum verwendet werden

Wärme und Strahlung,zwei Energieformen

• Strahlung = elektromagnetische Welle

• Wärme = ungeordnete Bewegung der Moleküle

Wärme und Strahlung

• Strahlung kann in Wärme umgewandelt werden

• Vor einem Kamin oder Kachelofen kann man die Wärmestrahlung als Wärme spüren

Je wärmer desto heller

• Umgekehrt kann Wärme auch in Strahlung umgewandelt werden

• Jeder Gegenstand oder jedes Gas strahlt entsprechend seiner Temperatur

• Je heisser desto mehr Energie wird abgestrahlt (Strahlungsgesetz von Stefan und Boltzmann)

?P ~ T4

Je wärmer desto blauer

• Die Wellenlänge der Strahlung wird immer kürzer mit steigender Temperatur (Wiensches Verschiebungsgesetz)

• Herdplatte wird rotglühend, Schweissgerät gibt bläuliches Licht

Die Planck Funktion

Infrarotbild, weiss-rot bedeutet heiss, grün-blau kühl.

Temperatur der Erdoberfläche

Einfallende Sonnenstrahlung

Abstrahlung

Übersicht

• Warum?

• NOAA Satelliten

• Envisat

• Zusammenfassung

Höhe, km

Anteil der totalen

Luftmasse, %

99,9999

Mesosphäre

Stratosphäre, Ozonschicht

Troposphäre,Wetterschicht

Die „Stockwerke“ der Atmosphäre

ErdoberflächeGrafik nach K. Künzi

+ =Sauerstoff

Höhe, km

0Erdoberfläche

Grafik nach K. Künzi

Troposphäre,Wetterschicht

Strahlungsbilanz der Erde

Gegenstrahlung (Treibhauseffekt)

Nah-Infrarot bis UV(Nur bei Tag) Mikrowelle bis Infrarot

(Tag und Nacht)Messmethoden

Infrarotspektrum der Atmosphäre, vom Satelliten gesehen

Planck Kurve

Spektrallinien

H2O CO2

Warum gibt es Spektrallinien?

• Luft besteht aus Molekülen (Stickstoff N2, Sauerstoff O2, Kohlendioxid CO2, Spurengase wie Ozon O3, ...)

• Moleküle können nur bei ganz bestimmten Frequenzen Strahlung absorbieren

Warum?

Quanten

Rotation Vibration

Elektronensprung• Nur „diskrete“ = bestimmte

Zustände möglich

• Energie der Strahlung muss genau passen

Jedes Molekül hat sein typisches Spektrum

Wasserdampfspektrum

Das Spektrum kann ziemlich kompliziert aussehen...

Der Mikrowellenbereich

• H2O --- Wasserdampf• O3 --- Ozon• + viele mehr

• CO2 --- Kohlendioxyd• O2 --- Sauerstoff• Gleichmäßig verteilt

• Wolken, Regen

Was kann man messen?

} Messung der Konzentration

Messung der Temperatur}

Übersicht

• Warum?

• NOAA Satelliten

• Envisat

• Zusammenfassung

Die NOAA Satelliten

InstrumenteInstrument Spektralbereich Auflösung

AMSU Mikrowelle 15-50 km

HIRS Infrarot 50 km

AVHRR Sichtbar/Infrarot 1 km

• Verschiedene Instrumente und Kanäle machen verschiedene Sachen sichtbar.

• Nur manche Kanäle sehen den Boden.

AVHRR Infrarot Bild

Wolken,

heller= kälter

= höher

Kelvin

Mikrowelle bei 183 GHz sieht nur Wasserdampf

Bild von Mashrab Kuvatov

Kelvin

trockene Subtropen

feuchte Tropen

Wasserdampf

• Wichtigstes Treibhausgas (10% mehr H2O = doppeltes CO2)

• Wärmere Erde mehr Verdunstung mehr Wasserdampf?

• Für Klimavorhersagen muss man wissen, was mit dem Wasserdampf passiert.

Übersicht

• Warum?

• NOAA Satelliten

• Envisat

• Zusammenfassung

Envisat... in der

Montagehalle bei ESA

• MIPAS (infrarot)

• SCIAMACHY (nah-infrarot bis UV)

Bremen führend

Envisat Start

• Am 1. März 2002

• Rakete: Ariane 5

Startparty in Bremen, 2:07 morgens

SCIAMACHY Messgeometrie

Das Instrument kann auf drei verschiedene Arten messen.

Ozon von GOME (Vorgänger von SCIAMACHY)

Nordpol Südpol

Stickoxide

• NO und NO2

• Quelle: Verbrennung fossiler Brennstoffe

Schwefeldioxid (SO2) kommt aus Vulkanen

Bild von Andreas Richter

• MODIS Bild vom 28.10.2002

• Kanäle im sichtbaren Licht

28.10.2002

100 km

Bild von: Liam Gumley http://terra.ssec.wisc.edu/~gumley/images.html

Übersicht

• Warum?

• NOAA Satelliten

• Envisat

• Zusammenfassung

Zusammenfassung (1)• Wir brauchen Satellitendaten über die

Atmosphäre zur Wettervorhersage, und um die globalen Umweltprobleme zu verstehen. Montreal, Kyoto

• Fernerkundung bedeutet Messung von Strahlung.

• Alle Spektralbereiche von Mikrowelle bis Ultraviolett lassen sich nutzen. (Verschiedene Anwendungen brauchen verschiedene Spektralbereiche)

Zusammenfassung (2)• Meteorologische Sensoren (z.B. NOAA

Satelliten, Meteosat) messen Wasserdampf, Temperatur, Wolken, und Niederschlag.

• Spezielle Chemiesensoren (z.B. Envisat) messen wichtige Spurenstoffe (z.B. Ozon).

Faszinierend.

Mr. Spock, was sagen Sie dazu?

Danke für´s Zuhören,ich bin gespannt auf die

Fragen...

http://www.geog.ucsb.edu/~joel/g110_w02/chapt02/energy_rad/energy_rad.html

http://www.drspecht.de/images/auto1_ir.jpg

http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Airbags/images/molecules.jpg

http://www.forst-hamburg.de/images/Kaminfeuer.JPG

http://www.ci.maryville.tn.us/fire/eyehot.gif

http://www.lenzlinger.ch/bilder/bereiche/mb/ueberuns/schweissen.jpg

http://www.cyberspaceorbit.com/aurora1106.jpg

http://users.castel.nl/~brinb05/meteosat.jpg

http://collections.ic.gc.ca/satellites/english/anatomy/orbit/

Bildnachweis

http://spaceflightnow.com/titan/g13/images/000822noaal.jpg

http://ehf.uni-oldenburg.de/meteo/meteo_engl.html

http://asd-www.larc.nasa.gov/asd_over/glossary/gifs/swath.gif

http://www.insource.org/question.gif

Bildnachweis

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