Airbus Defence and Space

MetOp-B-Instrumente aus dem Hause Airbus Defence and Space

ASCAT, GRAS und MHS

Drei der wichtigsten Messinstrumente an Bord des Satelliten stammen von Airbus Defence and Space: ASCAT (Messung der Windgeschwindigkeit über dem Meer bei jeder Wetterlage), GRAS (Ermittlung von Lufttemperatur und -feuchtigkeit) und MHS (Messung der Luftfeuchtigkeit).

Windbeobachtung und mehr mit ASCAT

MetOp ASCAT instrument

ASCAT, leicht erkennbar an seinen beiden drei Meter hohen Antennen, ist ein aktives Radarinstrument, das vornehmlich zur Messung der Windgeschwindigkeit und -richtung über dem offenen Meer verwendet wird. Hierzu bedient es sich der sogenannten Scatterometrietechnik – daher auch der Name „Advanced SCATterometer“.

Ein Scatterometer sendet ein Signal aus und misst anschließend, welcher Anteil dieses Signals nach Auftreffen auf einer Land- oder Meeresoberfläche zurückgeworfen wird. Dieses rückkehrende Signal wird als „Backscatter“ (Rückstreuung) bezeichnet. Wir haben alle schon einmal gesehen, wie durch den Wind auf dem Meer kleine und größere Wellen entstehen. Dadurch ändern sich in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit und -richtung die Radarrückstreuungseigenschaften der Meeresoberfläche. Je kräftiger der Wind, desto größer die Energie der Wellen und desto stärker auch der Backscatter-Effekt.

ASCAT sendet im C-Band Mikrowellenimpulse mit langer linearer Frequenz aus – in Fachkreisen „Chirp“ (Compressed High Intensity Radar Pulse) bzw. „Zirpe“ genannt –, fängt die Rückstreuungssignale auf, „entzirpt“ diese und erstellt eine Spektralanalyse.

Test von ASCAT-Antenna

Test von ASCAT-Antenna

Die beiden Antennenarme, die im Orbit entfaltet und V-förmig im Winkel von +135° und -135° zur Flugbahn des Satelliten fixiert werden, bestehen jeweils aus drei Einzelantennen, die beide Schwadbreiten von jeweils 550 km nacheinander in drei Richtungen „abtasten“ können. Jeder Punkt auf der Erde innerhalb dieser Aufnahmestreifen des Satelliten wird zunächst vom vorderen, anschließend vom mittleren und schließlich vom hinteren Radarstrahl erfasst, wobei jeder Impuls nur 35,4 Millisekunden dauert. Die Zyklen erfolgen versetzt und werden abwechselnd erst in der einen und dann in der anderen Schwadbreite aufgenommen. Diese Mehrfachabtastung sorgt für zuverlässigere Daten und verbessert die Auflösung. Darüber hinaus wird im Vergleich zu früheren Scatterometern bei jedem Scan ein mehr als doppelt so großes Gebiet abgedeckt, sodass ASCAT nur zwei Tage benötigt, um Karten der Windgeschwindigkeiten und -richtungen über den Ozeanen zu erstellen.

ASCAT, das bei jeder Abtastung eine riesige Fläche erfasst, kartiert in nur zwei Tagen die Windgeschwindigkeiten und -richtungen über den Weltmeeren (© Eumetsat)

ASCAT, das bei jeder Abtastung eine riesige Fläche erfasst, kartiert in nur zwei Tagen die Windgeschwindigkeiten und -richtungen über den Weltmeeren (© Eumetsat)

Neben seiner Hauptaufgabe, der Ermittlung von Windvektoren, liefert ASCAT ebenfalls wertvolle Daten für eine Reihe anderer Anwendungs- und Forschungsgebiete wie die Überwachung von Land- und Meereis, der Schneedecke und der Bodenfeuchte. Da das Radarsignal des Scatterometers die Oberfläche durchdringen kann, ist ASCAT auch in der Lage, Klimabeobachtungen unterhalb der Oberfläche/Vegetation anzustellen.

Zu den wichtigsten Umweltaspekten zählen die Ausdehnung von Meereis und Permafrostboden sowie das Vordringen von Wüsten. Mit seiner Fähigkeit, zu jeder Tages- und Nachtzeit und unabhängig von Witterungsbedingungen in sehr kurzer Zeit weltweite Daten bereitzustellen, ist ASCAT ein herausragendes Instrument für Langzeitklimastudien.

GRAS verfolgt auf- und untergehende GPS-Satelliten

MetOp's GRAS instrument

GRAS (Global navigation satellite system Receiver for Atmospheric Sounding) ist ein Empfänger für Signale von GPS-Satelliten (Global Positioning System), der zwar auch Navigationsdaten zur Bestimmung der genauen Orbitposition des MetOp-Satelliten liefert, hauptsächlich aber zur Messung der Lufttemperatur und -feuchtigkeit mittels Radiookkultation herangezogen wird.

Während der Zeit, die MetOp für eine Umrundung der Erde benötigt (etwa 100 Minuten), gehen aus seiner Perspektive viele der höher fliegenden GPS-Satelliten am Horizont, sozusagen dem „Rand“ der Erde, auf oder unter. Diese Satellitenauf- und -untergänge werden „Okkultationen“ genannt (d. h. wenn die Satelliten aus dem Blickfeld verschwinden). GRAS verfolgt während der Okkultationsphase die Signale der GPS-Satelliten. Durchdringen diese Signale tangential die Erdatmosphäre, werden sie gebeugt, wobei der Beugungsgrad von der Luftdichte und diese wiederum von der Lufttemperatur und Wasserdampfkonzentration abhängt. Der gemessene Beugungswinkel gibt daher Aufschluss über diese Atmosphärenvariablen, sodass GRAS mithilfe des Winkels Lufttemperatur, -feuchtigkeit und -druck ermitteln kann. Da sich die relative Position zwischen dem GPS-Satelliten und dem im erdnahen Orbit fliegenden MetOp mit der Zeit ändert, ist es möglich, übereinanderliegende Schichten der Atmosphäre vertikal zu scannen.

Hier ist zu sehen, wie das Signal zwischen GRAS und GPS-Satellit auf dem Weg durch die Erdatmosphäre abgelenkt wird, wodurch GRAS deren Feuchtigkeit, Druck und Temperatur bestimmen kann (© ESA)

Hier ist zu sehen, wie das Signal zwischen GRAS und GPS-Satellit auf dem Weg durch die Erdatmosphäre abgelenkt wird, wodurch GRAS deren Feuchtigkeit, Druck und Temperatur bestimmen kann (© ESA)

Es ist wesentlich einfacher, GPS-Satelliten zu verfolgen, während sie hinter der Erdatmosphäre verschwinden, als wenn sie wieder hervortreten, da das Messgerät bereits auf den Satelliten gerichtet ist. GRAS ist es als bisher einzigem Instrument gelungen, einen aufgehenden Satelliten erfolgreich zu erfassen und zu verfolgen. Dank dieser Fähigkeit und seines sehr hohen Ansprechvermögens im Orbit kann GRAS bei weltweiter Abdeckung täglich über 600 hochpräzise Okkultationsmessungen mit hoher vertikaler Auflösung vornehmen.

Da GRAS auf- und untergehende GPS-Satelliten anpeilen kann, ist es in der Lage täglich über 600 Okkultationen zu nutzen – 20 Prozent mehr, als die Spezifikation vorschreibt (© ESA)

Da GRAS auf- und untergehende GPS-Satelliten anpeilen kann, ist es in der Lage täglich über 600 Okkultationen zu nutzen – 20 Prozent mehr, als die Spezifikation vorschreibt (© ESA)

Das 30 kg schwere GRAS-Instrument, das eine größere Genauigkeit bietet als ein Standard-GPS-Empfänger, verfügt über drei einzeln am MetOp-Satelliten angebrachte Empfangsantennen: zwei für Okkultationsmessungen, die so positioniert sind, dass sie tangential die Erdatmophäre durchdringen können, und eine kleinere, zum Zenit gerichtete Antenne für die Navigation.

Wetterbeobachtung mit MHS

MetOp's MHS instrument

Der Mikrowellensensor MHS nutzt fünf Kanäle in einem Frequenzbereich von 89 bis 190 GHz, um die Atmosphäre zu scannen und dabei die Strahlung in verschiedenen Spektralbändern zu messen. Da diese Mikrowellenstrahlung der Erdoberfläche von Wasserdampf oder anderer Feuchtigkeit (Regen, Schnee, Eis, Wolkendecke) in der Atmosphäre beeinflusst wird, kann mithilfe der von MHS gesammelten Daten ein detailliertes Luftfeuchtigkeitsprofil erstellt werden. Dabei decken die verschiedenen Sendekanäle unterschiedliche Höhen der Atmosphäre ab. Zudem lässt sich die Temperatur der Erdoberfläche bestimmen.

Kanal 1 erfasst die Erdoberfläche, wobei Vergleiche der Landoberfläche mit der kälteren Meeresoberfläche angestellt werden. Kanal 2 erforscht oberflächennahe Wasserdampfstrukturen. Die Kanäle 3, 4 und 5 untersuchen Wasserdampfstrukturen in der oberen, mittleren bzw. unteren Troposphäre.

Ein Kanal-H1-Bild von MHS (Oberflächentemperatur und Abstrahlung in Falschfarben) aus acht aufeinander folgenden Umläufen von MetOp-A aus dem Monat November 2006 (© Eumetsat)

Ein Kanal-H1-Bild von MHS (Oberflächentemperatur und Abstrahlung in Falschfarben) aus acht aufeinander folgenden Umläufen von MetOp-A aus dem Monat November 2006 (© Eumetsat)

Das 63 kg leichte Instrument, das an Bord des Satelliten den Platz eines Würfels mit einer Kanten­länge von 0,8 m für sich beansprucht, scannt die Erdoberfläche drei Mal innerhalb von acht Sekunden (also alle 2,6 Sekunden) und erfasst bei jedem Scan in jedem der fünf Kanäle 90 einzelne Daten (Pixel). Die Datenerfassung in den Kanälen erfolgt zeitgleich, wobei die einzelnen Pixel jeweils im Winkel von 1,111 Grad zueinander versetzt sind. Die kreisförmige Ausleuchtungszone des Instruments hat im Nadir einen Durchmesser von rund 16 km. Zur dauerhaften Gewährleistung dieser herausragenden Leistung führt der Sensor nach jedem Scan eine Selbstkalibrierung durch.

Das MHS wird als einziges der von Europa bereitgestellten Instrumente in den NOAA-Satelliten installiert (das erste MHS wurde am 19. Mai 2005 an Bord von NOAA-18 ins Weltall gebracht) und ist mit vier der amerikanischen NOAA-Instrumente vernetzt – AMSU-A1, AMSU-2, AVHRR und HIRS –, die gemeinsam unter dem Namen ATOVS (Advanced TIROS Operational Vertical Sounder) zusammengefasst sind.

Die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre variiert örtlich sehr stark, sodass mittels präziser Messung seiner Verteilung Niederschläge vorhergesagt werden können. Wissenschaftler, Forscher und Meteorologen nutzen die vom MHS gelieferten Daten zur Erstellung numerischer Wettervorher­sagemodelle sowie zur kurzfristigen Prognose gefährlicher und sich schnell entwickelnder Wetter­phänomene wie Tornados oder Sturzfluten.

Darüber hinaus können die MHS-Daten zur Überwachung des Klimageschehens herangezogen werden, insbesondere im Hinblick auf die Verteilung von Feuchtigkeit, und helfen damit Wissenschaftlern beim Verstehen des Wetterkreislaufs der Erde, bei der Beobachtung von Konvektionssystemen sowie bei der Verbesserung von Algorithmen zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit über den Polen.

FernerkundungMetOp