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Das Prinzip der Eisdickenmessung mit dem SAR

Wie funktioniert CryoSat?

Die Oberfläche des Meeres ist nicht flach. Für das Auge unsichtbar, spiegeln sich die untermeerischen Berge und Senken an der Oberfläche der Meere wider. Durch die Gesteinsmasse eines Gebirges am Meeresboden entsteht eine geringfügig höhere Schwerkraft, die über dem untermeerischen Berg einen wenige Meter hohen Wasserhügel aufwirft. Ein Tiefseegraben kann dadurch an der Oberfläche ein Gegenstück mit einer Tiefe von bis zu zehn Metern haben. Hinzu kommen kleinere und kurzlebigere Abweichungen von „Normalnull“ durch Gezeiten und Meeresströmungen verantwortlich.

Der Radarstrahl ist leicht nach vorne und nach hinten gerichtet, während der Satellit sich mit hoher Geschwindigkeit fortbewegt. Dies erzeugt minimale Frequenzverschiebungen der reflektierten Radarwellen. © ESA/AOS Medialab

Wie aber soll ein Satellit bei einer so schwankenden Oberfläche erkennen, was eine Eisscholle und was einfach nur ein „Wasserberg“ ist? Schließlich ist das Meereis nicht mehrere Kilometer dick wie die die Eisdecken über Grönland oder der Antarktis, sondern nur wenige Meter. Und mit der Eishöhe über Wasser ist es nicht getan, schließlich liegt bekanntermaßen der Großteil des Eises unter dem Wasserspiegel. Unter anderem deshalb sind bisherige Satellitenmessungen der Eisdicke relativ lückenhaft. Das zentrale Instrument von CryoSat, das so genannte „SAR-Interferometrische Radar-Altimeter“ (SIRAL) soll nun diese Lücken schließen.

Grundsätzlich ermittelt CryoSat die Dicke von Meereis durch eine Radarmessung der Höhendifferenz von Eisschollen und Meeresspiegel – dem sogenannten „Freeboard“. Der Radar sendet gepulste Strahlen aus, die vom Eis und der Wasseroberfläche reflektiert werden. Je nach Abstand vom Satelliten treffen die reflektierten Strahlen zu unterschiedlichen Zeiten wieder ein. Das zuerst eintreffende Signal im Radarecho stammt von der dem Satelliten am nächsten gelegenen Stelle auf der Erdoberfläche.

Prinzip des "SAR Interferometry“-Modus: Aus der mit zwei Antennen gemessenen Phasendifferenz zwischen den zurückkehrenden Radarwellen lässt sich der Unterschied in der Laufzeit (in Rot dargestellt) ermitteln © ESA / AOS Medialab

Frequenzverschiebungen als Messhilfe

Herkömmliche Radarhöhenmesser senden Impulse in Intervallen aus, die lang genug sind, um unkorrelierte Echos zu erhalten. Durch Mittelung vieler dieser unkorrelierten Echos kann das Grundrauschen verringert und das eigentliche Signal der Oberfläche herausgefiltert werden. Typischerweise liegt das Impulsintervall bei rund 500 Mikrosekunden. Das Altimeter von CryoSat sendet hingegen seine Impulsfolgen im Abstand von lediglich etwa 50 Mikrosekunden. Dadurch treten zwischen den nach vorne und nach hinten gerichteten Teilen des Signals Frequenzverschiebungen auf, die ein Zerlegen des Radarsignals in einzelne 250 Meter breite Streifen quer zur Flugrichtung ermöglichen. Diese durch aufeinander folgende Signalfolgen entstehenden Streifen lassen sich überlagern, mitteln und so zur Rauschreduzierung nutzen. Dieses Prinzip, als Radar mit synthetischen Apertur (Synthetic Aperture Radar, SAR) bekannt, ermöglicht ein sehr viel genaueres Abtasten des Untergrunds als normale Radarmesser.

Zweiter Empfänger

Um die Unebenheiten der Wasseroberfläche auszugleichen, nutzt CryoSat zudem eine zweite Antenne und einen weiteren Empfänger. Im so genannten „SAR Interferometry“-Modus können so die Phasenverschiebungen zwischen den beiden Empfängern genutzt werden, um den genauen Einfallswinkel und Ursprungsort des Echos zu ermitteln und so lokale Unebenheiten des Wassers besser erkennen und herausrechnen zu können.

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Nadja Podbregar
Stand: 07.04.2010

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

CryoSat: Mission ins Eis
Ein Satellit vermisst die Eisbedeckung unseres Planeten

Facts
Cryosat-2 in Kürze

CryoSat 1: der Fehlschlag
Der erste Anlauf im Jahr 2005

Warum ist das Eis so wichtig?
Klima, Eis und Meeresströmungen

CryoSat-2: Rückwärts in die Umlaufbahn
Der Start und der Ablauf der Mission

Wie funktioniert CryoSat?
Das Prinzip der Eisdickenmessung mit dem SAR

Eine Frage der Position
Die Flugbahn und die „Eigenwahrnehmung“ des Satelliten

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