Satellit SMOS erforscht Grundlagen von Wasserhaushalt und Klimaveränderungen Wasser- und Salzmessung aus dem All - scinexx | Das Wissensmagazin
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Satellit SMOS erforscht Grundlagen von Wasserhaushalt und Klimaveränderungen

Wasser- und Salzmessung aus dem All

Satellit SMOS © ESA

Seit gestern hat die Erde einen einzigartigen Begleiter im Orbit: Der ESA-Satellit SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) ist der erste, der der flächendeckenden Erfassung der Bodenfeuchte und des Ozeansalzgehaltes dient. Sowohl der Ozeansalzgehalt als auch die Bodenfeuchte sind zentrale Kenngrößen, um den Wasserkreislauf und Klimaveränderungen zu verstehen. Die Informationen von SMOS verbesserte Analysen und Vorhersagen etwa für die Ozeanzirkulation, Wasservorräte oder extreme Wetter-Ereignisse.

Um Wetter und Klima besser vorhersagen zu können, braucht die Wissenschaft genauere Daten über den Wasseraustausch zwischen den Ozeanen, den Landflächen und der Atmosphäre. Dank einer neuen Satelliten-Technologie ist SMOS in der Lage, die hierfür wichtigen Klimaparameter Bodenfeuchte und Salzgehalt erstmals weltweit aus dem All zu messen. Die Ergebnisse sollen in ozeanographische und meteorologische Modelle eingespeist werden, um Vorhersagen und globale Klimaprognosen zu verbessern.

Salzgehalt als Kenngröße für das Abschmelzen der Polkappen

SMOS ist die erste Mission, die auf die Bestimmung des oberflächlichen Ozeansalzgehalts spezialisiert ist. Die Salzkonzentration des Meeres ist eine wichtige Kenngröße für die Umweltüberwachung. Sinkt etwa der Salzgehalt in der Polarregion unerwartet stark ab, so ist dies ein alarmierendes Zeichen, denn

es kann auf ein schnelleres Abschmelzen der Eiskappen hindeuten.

Neben dieser Indikatorfunktion ist der Salzgehalt eine wesentliche Antriebskraft für die globale Ozean-Zirkulation. Salzgehalt und Wassertemperatur beeinflussen die Dichte und damit das Gewicht des Wassers. Schwere Wassermassen sinken ab, leichtere steigen auf und bilden so die „Pumpe“ vieler Meeresströmungen. Das Klima hängt sehr stark von der Zirkulation des Meerwassers ab. Denn die Wassermassen führen feuchte sowie warme oder kalte Luftmassen mit sich. Ist die Zirkulation langfristig gestört, kann das starke Auswirkungen etwa auf regionale Regenmengen, Windsysteme und Temperaturen haben.

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Bisher gibt es kaum historische Zeitreihenuntersuchungen zum Ozeansalzgehalt. Punktuell liegen

zwar bereits Daten vor, etwa von Messungen auf Forschungsschiffen oder Bojen, allerdings lassen sich daraus keine verlässlichen Ergebnisse für große Regionen bis hin zum globalen Maßstab ableiten.

Einblick in Bodenfeuchte und den globalen Wasserkreislauf

Die Ermittlung des Wassergehalts im Boden ist eine weitere Aufgabe von SMOS. Der Wassergehalt des Bodens ist nicht nur essentiell für das Pflanzenwachstum, sondern auch für den Austausch von Wasser und Energie mit der Atmosphäre. Ist wenig Wasser im Boden, nimmt die Verdunstung ab und die verfügbare solare Energie führt zu einer Erwärmung der bodennahen Luftschichten und einer deutlichen Temperaturzunahme. So wurde etwa die Hitzewelle 2003 durch sehr geringe Bodenfeuchte verstärkt.

Der Wassergehalt regelt außerdem, wieviel Niederschlag in den Boden eindringen kann. Ist der Boden bereits gesättigt, fließt der Niederschlag an der Oberfläche ab und es kann schneller zu Hochwasser und Überflutung kommen. Mit den Daten von SMOS kann erstmalig eine weltweite flächendeckende Karte der Bodenfeuchte-Verteilung erstellt werden.

Neuartige Messtechnik mit Instrument MIRAS

Auf SMOS wird eine vollkommen neuartige Messtechnik zum Einsatz kommen. Das Mikrowellenradiometer MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis) ist das einzige Instrument an Bord des Satelliten und zeichnet das Spektrum der von Meeres- und Erdoberfläche ausgehenden Mikrowellen-Strahlung auf. Trockene Böden haben andere Oberflächeneigenschaften als feuchte und Wassermassen mit niedriger Salzkonzentration andere als solche mit hoher Konzentration. Daraus ergeben sich charakteristische Strahlungsmuster, über

die Bodenfeuchtigkeit und Salzgehalt ermittelt werden können.

Ebenso wie ein Radarinstrument arbeitet MIRAS unabhängig von Sonnenlicht und Wolkenbedeckung. Doch im Gegensatz zum Radar sendet dieses passive Mikrowellenradiometer keine eigene Strahlung aus. Alle 1,2 Sekunden erstellt das Gerät eine zweidimensionale Aufnahme, die eine zirka 1000 Quadratkilometer große, sechseckige Fläche abbildet. Das Radiometer arbeitet im L-Band-Bereich bei 1400 Megahertz.

Projekte in mehreren europäischen Ländern

Die Erwartungen der Wissenschaftlergemeinde an die neuen Satellitendaten sind hoch – entsprechend umfangreich sind die Aktivitäten und internationalen Beteiligungen im Zusammenhang mit der so genannten „Wassermission“: In mehreren europäischen Ländern laufen bereits Projekte, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der erwarteten SMOS-Messungen zu prüfen und die schnelle Anwendung der Daten zu ermöglichen. Hierzu werden Simulationen, Daten aus Messstationen und flugzeuggestützte Vergleichsdaten herangezogen.

Nach dem Start werden die Instrumente sechs Monate lang getestet und geeicht. Anschließend stellt die ESA verschiedene Produkte bereit – darunter nicht nur die ursprünglichen Mess- und Strahlungsdaten, sondern auch nutzerspezifische Anwendungen wie räumlich und zeitlich gemittelte Karten und für die Wettervorhersagezentren verschiedene „Near-Real-Time“ Produkte.

Zusätzlich zu Forschungsprojekten, die die Datennutzung vorbereiten, fördert das DLR mit Geldern des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) ein deutsches SMOS-Projektbüro an der Universität Hamburg. Seine Aufgabe ist es, die wissenschaftlichen Arbeiten in Deutschland und Europa

besser zu koordinieren und weiteren Nutzern außerhalb des wissenschaftlichen Umfelds als Informations- und Kontaktstelle zu dienen. Die Projekte werden während der zirka sechsmonatigen Testphase des Satelliten den Höhepunkt ihrer Arbeiten erreichen und auch danach noch wichtige Einsichten und Ergebnisse zur Nutzung der Daten liefern.

Erdsystemforschung mit „Living Planet“

SMOS ist die zweite bereits gestartete Mission des ESA-Programms „Lebender Planet“, in dem ausgewählte Wissenschaftssatelliten gezielte Beiträge zu wichtigen Fragen der Erdsystemforschung leisten. Von diesen „Earth Explorer“ genannten Satelliten wurde Anfang 2009 die erste Mission (GOCE) bereits erfolgreich gestartet. Für Ende Februar 2010 ist der Start einer weiteren Explorer-Mission, CryoSat-2, geplant und für den Zeitraum bis 2016 sind weitere vier Missionen bereits in Planung.

(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) / Universität Hamburg, 03.11.2009 – NPO)

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