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
Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 3
Nur Science-Fiction?
80% Stickstoff, 20% Sauerstoff. Dazu Spuren von Wasserdampf, Kohlendioxid und Argon.
Mr. Spock, was sagen Ihre Sensoren?
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Übersicht
• Warum?
• Geostationäre und polare Orbits
• Spektralbereiche, Wärmestrahlung
• Strahlung in der Atmosphäre
• NOAA Satelliten
• Envisat
• Zusammenfassung
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Übersicht
• Warum?
• Geostationäre und polare Orbits
• Spektralbereiche, Wärmestrahlung
• Strahlung in der Atmosphäre
• NOAA Satelliten
• Envisat
• Zusammenfassung
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Warum Atmosphärenforschung mit Satelliten?
Schadstoffe Ozonschicht
Erwärmung
GlobaleVeränderung
WetterVorhersage
Wir brauchen Daten!
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Übersicht
• Warum?
• Geostationäre und polare Orbits
• Spektralbereiche, Wärmestrahlung
• Strahlung in der Atmosphäre
• NOAA Satelliten
• Envisat
• Zusammenfassung
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Meteosat
Höhe?
36.000 km über dem Äquator
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Geostationärer Orbit
Höhe: 36.000 km
Umlaufzeit: 23h 56min
Kepler:
Umlaufzeit2 ~ Radius3
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Geostationäre Satelliten
Weit über 100, hauptsächlich für Fernsehen und Telekommunikation
Meteorologie:• Meteosat (Europa)• GOES (USA)• GMS (Japan)• INSAT (Indien)• GOMS (Russland) Vorteile/Nachteile?
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Polare Orbits
Höhe: ~800 km
Umlaufzeit: 1h 40min
Spezialfall Sonnensynchron: Satellit kommt jeden Tag zur gleichen Zeit vorbei.
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Satelliten in polaren Orbits
• Terra und Aqua (amerikanisch)– MODIS
• Envisat (europäisch)– SCIAMACHY– MIPAS
• NOAA 15, NOAA 16, NOAA 17 (amerikanisch)– AMSU– HIRS– AVHRR
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Was fliegt denn da?
• Webtip:
http://science.nasa.gov/Realtime/
Welcher Satellit ist wo?
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• Warum?
• Geostationäre und polare Orbits
• Spektralbereiche, Wärmestrahlung
• Strahlung in der Atmosphäre
• NOAA Satelliten
• Envisat
• Zusammenfassung
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Elektromagnetische Strahlung
= elektromagnetische Wellen
• Wir verwenden nur einen kleinen Teil zum Sehen
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Das elektro-magnetische
Spektrum
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Elektromagnetische Strahlung
= elektromagnetische Wellen
• Wir verwenden nur einen kleinen Teil zum Sehen
• Zur Fernerkundung kann im Prinzip das ganze Spektrum verwendet werden
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Wärme und Strahlung,zwei Energieformen
• Strahlung = elektromagnetische Welle
• Wärme = ungeordnete Bewegung der Moleküle
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Wärme und Strahlung
• Strahlung kann in Wärme umgewandelt werden
• Vor einem Kamin oder Kachelofen kann man die Wärmestrahlung als Wärme spüren
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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
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Je wärmer desto blauer
• Die Wellenlänge der Strahlung wird immer kürzer mit steigender Temperatur (Wiensches Verschiebungsgesetz)
• Herdplatte wird rotglühend, Schweissgerät gibt bläuliches Licht
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Die Planck Funktion
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Infrarotbild, weiss-rot bedeutet heiss, grün-blau kühl.
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Temperatur der Erdoberfläche
Einfallende Sonnenstrahlung
Abstrahlung
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• Warum?
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• NOAA Satelliten
• Envisat
• Zusammenfassung
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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
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Höhe, km
10
0Erdoberfläche
Grafik nach K. Künzi
Troposphäre,Wetterschicht
Strahlungsbilanz der Erde
Gegenstrahlung (Treibhauseffekt)
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Nah-Infrarot bis UV(Nur bei Tag) Mikrowelle bis Infrarot
(Tag und Nacht)Messmethoden
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Infrarotspektrum der Atmosphäre, vom Satelliten gesehen
Planck Kurve
Spektrallinien
H2O CO2
O3
H2O
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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?
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Quanten
Rotation Vibration
Elektronensprung• Nur „diskrete“ = bestimmte
Zustände möglich
• Energie der Strahlung muss genau passen
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Jedes Molekül hat sein typisches Spektrum
Wasserdampfspektrum
Das Spektrum kann ziemlich kompliziert aussehen...
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Der Mikrowellenbereich
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• H2O --- Wasserdampf• O3 --- Ozon• + viele mehr
• CO2 --- Kohlendioxyd• O2 --- Sauerstoff• Gleichmäßig verteilt
• Wolken, Regen
Was kann man messen?
} Messung der Konzentration
Messung der Temperatur}
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• Warum?
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• Envisat
• Zusammenfassung
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Die NOAA Satelliten
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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.
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AVHRR Infrarot Bild
Wolken,
heller= kälter
= höher
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AMSU
18
Kelvin
Mikrowelle bei 183 GHz sieht nur Wasserdampf
Bild von Mashrab Kuvatov
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Kelvin
trockene Subtropen
feuchte Tropen
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Wasserdampf
• Wichtigstes Treibhausgas (10% mehr H2O = doppeltes CO2)
• Wärmere Erde mehr Verdunstung mehr Wasserdampf?
• Für Klimavorhersagen muss man wissen, was mit dem Wasserdampf passiert.
Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 51
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Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 52
Envisat... in der
Montagehalle bei ESA
• MIPAS (infrarot)
• SCIAMACHY (nah-infrarot bis UV)
Bremen führend
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Envisat Start
• Am 1. März 2002
• Rakete: Ariane 5
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Startparty in Bremen, 2:07 morgens
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SCIAMACHY Messgeometrie
Das Instrument kann auf drei verschiedene Arten messen.
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Ozon von GOME (Vorgänger von SCIAMACHY)
Nordpol Südpol
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Stickoxide
• NO und NO2
• Quelle: Verbrennung fossiler Brennstoffe
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Schwefeldioxid (SO2) kommt aus Vulkanen
Bild von Andreas Richter
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• MODIS Bild vom 28.10.2002
• Kanäle im sichtbaren Licht
Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 62
Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 63
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Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 65
MODIS
28.10.2002
100 km
Bild von: Liam Gumley http://terra.ssec.wisc.edu/~gumley/images.html
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• Warum?
• Geostationäre und polare Orbits
• Spektralbereiche, Wärmestrahlung
• Strahlung in der Atmosphäre
• NOAA Satelliten
• Envisat
• Zusammenfassung
Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 67
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)
Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 68
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).
Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 69
Faszinierend.
Mr. Spock, was sagen Sie dazu?
Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 70
Danke für´s Zuhören,ich bin gespannt auf die
Fragen...
Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 71
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
Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 72
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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