Eyes in the Sky Wetterbeobachtung und Atmosphärenforschung mit Satellitensensoren Dr. Stefan Bühler Institut für Umweltphysik SaMPhys Sa., 22.11.2003,

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

90

50

10

0

Anteil der totalen

Luftmasse, %

99,9999

99,9

70

0

Mesosphäre

Ultr

avio

lette

s So

nnen

licht

Stratosphäre, Ozonschicht

Troposphäre,Wetterschicht

Die „Stockwerke“ der Atmosphäre

ErdoberflächeGrafik nach K. Künzi

Sicht

bare

s Son

nenl

icht

+ =Sauerstoff


Höhe, km

10

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

O3

H2O


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


AMSU

18

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





MODIS

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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