Airbus Defence and Space

SMOS: den Wegen des Wassers auf der Spur

Der lebenserhaltende und klimaregulierende weltweite Wasserkreislauf zählt zwar zu den wichtigsten Vorgängen auf der Erde, doch ist über das zugrundeliegende System noch vergleichsweise wenig bekannt. An Bord des am 2. November 2009 gestarteten ESA-Satelliten SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) zur Erforschung von Bodenfeuchte und Ozeansalzgehalt unseres Planeten ist das von Airbus Defence and Space Spanien bereitgestellte innovative MIRAS-Instrument in Betrieb – um die Frage, wie sich Veränderungen des Erdklimas auf die Strukturen des globalen Wasserkreislaufs auswirken zu beantworten.

Welche Folgen die vom Klimawandel verursachten Veränderungen im weltweiten Wasserkreislauf haben können, gehört zu den wichtigsten umweltpolitischen Fragestellungen unserer Zeit. Eine Hauptursache der Unsicherheiten bei Klima- und Wettervorhersagen sowie bei Prognosen zum Klimawandel ist das mangelhafte Verständnis der Faktoren, die den Wasserkreislauf der Erde bedingen und verändern. Die Verknüpfung zwischen Pflanzenwelt, Wasserhaushalt und Klimawandel ist von Bedeutung für die Frage, wie Gesellschaften vor dem Hintergrund steigenden Bevölkerungsdrucks ihre Umweltressourcen verwalten sollen. Um angesichts der Veränderlichkeit des Wasserkreislaufs geeignete Handlungsoptionen zu erarbeiten, ist es mithin unerlässlich, unser Wissen darüber zu vertiefen.

 

Durchbruch im Orbit für die Erforschung der Erde

Heute, nach mehr als zehnjähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeit der Ingenieure und Wissenschaftler von über 20 europäischen Unternehmen und Hochschulen unter der Leitung von Airbus Defence and Space Spanien, leistet im All ein echtes technisches Wunderwerk seinen Dienst, das im Auftrag der Forscher erstmals weltweit periodische Messungen zu den zwei bestimmenden Variablen des Wasserkreislaufs durchführen wird. Die Entwickler des bildgebenden Mikrowellen-Radiometers MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis), der Nutzlast des SMOS-Satelliten, haben es mit großem Geschick verstanden, die Messung von Bodenfeuchte und Ozeansalzgehalt mit einem nie zuvor im Weltraum angewendeten Verfahren in einem einzigen Instrument zu vereinen. Dies mag als seltsame Verbindung zweier ungleichartiger Untersuchungsgegenstände anmuten, doch der Schein trügt, denn im weltweiten Wasserkreislauf stehen die Feuchtigkeit des Erdbodens und der Salzgehalt der Ozeane in essenzieller Verbindung zueinander. Bislang liegen allerdings kaum Daten zu diesen zwei Stellgrößen vor: Präzise Messungen der Bodenfeuchtigkeit finden auf lokaler Ebene relativ selten statt, und nur für einen kleinen Bruchteil der Ozeane wird regelmäßig die Salzhaltigkeit des Meerwassers erfasst.

 

Integration des MIRAS-Instruments am Airbus Defence and Space Standort Barajas in Spanien. (© Airbus Defence and Space)


Feuchte Erde und salziges Wasser: Triebfedern des globalen Wasserkreislaufs

Obwohl der Erdboden nur 0,001% der globalen Wasservorkommen enthält, spielt seine Feuchtigkeit eine zentrale Rolle für die Regulierung des Wasser- und Energieaustauschs zwischen den Landflächen und der erdnahen Atmosphäre durch Verdunstung und Infiltration. Aus SMOS-Daten lassen sich mindestens alle drei Tage Karten zur weltweiten Bodenfeuchte erstellen, die in Verbindung mit numerischen Modelling-Verfahren Schätzungen des Wassergehalts im Boden bis in eine Tiefe von einem bis zwei Metern ermöglichen – in der „Wurzelzone“ also, aus der Pflanzen ihren Wasserbedarf decken. Den Wassergehalt dieser Erdschicht schätzen zu können, wird die Erstellung kurz- und mittelfristiger Wetterprognosen und hydrologischer Modelle sowie die Erfassung von Photosynthese und Pflanzenwachstum und somit des irdischen Kohlenstoffzyklus’ entscheidend voranbringen. Ebenso wichtig sind Daten zur Bodenfeuchte für die Vorhersage von Fluten, Dürren und Hitzewellen.

 

Salzgehalt und Oberflächentemperatur der Ozeane sind die bestimmenden Faktoren für die Dichte des Meerwassers, eine zentrale Größe für den Verlauf der Meeresströmungen in allen Ozeanen. Diese Zirkulation wirkt durch den Transport des warmen Wassers vom Äquator in Richtung der Pole wetter- und klimaregulierend, verursacht aber auch Wettererscheinungen, die im Extremfall Überflutungen und Dürrekatastrophen nach sich ziehen können. Den Salzgehalt des Oberflächenwassers steuert weitgehend die Verdunstungs- bzw. Niederschlagsbilanz, ein wichtiger Indikator klimatischer Veränderungen. Da sich diese Bilanz über dem offenen Meer jedoch schwer mit bodengestützten Hilfsmitteln ermitteln lässt, sind Satellitenkarten zum Ozeansalzgehalt ein unabdingbares Werkzeug für genauere weltweite Schätzungen und verbessern somit die Prognostizierbarkeit von Atmosphärenzuständen. Aus den von SMOS gelieferten Daten sollen mindestens alle 30 Tage aktuelle Karten zum Salzgehalt der Weltmeere generiert werden.

 

Erfasst werden diese sehnlichst erwarteten Daten mit dem SMOS-Missionsinstrument MIRAS, dem ersten interferometrischen 2D-Radiometer mit polarer Umlaufbahn, das Schwankungen der von der Erdoberfläche ausgehenden elektromagnetischen Strahlung aufzeichnet.

 

„Der Klimawandel ist eine Tatsache – seine Auswirkungen auf Niederschläge, Verdunstung, oberirdischen Abfluss und Flutrisiken sind dagegen noch immer unklar“, sagt Yann Kerr, Forschungsleiter der ESA zur SMOS-Mission. Durch die Möglichkeit, aus dem Weltall Daten zur Bodenfeuchte und zum Salzgehalt der Ozeane zu sammeln, wird SMOS große Lücken im heutigen Wissen beseitigen und bei der weltweiten Überwachung des Klimawandels eine wesentliche Funktion erfüllen,“ so Yann Kerr weiter.

 

Entfaltung von MIRAS, dem Y-förmigen Missionsinstrument des SMOS-Satelliten (© Airbus Defence and Space/ESA).

 

MIRAS: Das Y-förmige SMOS Missionsinstrument

Von aller Materie geht in Abhängigkeit von ihren elektrischen Eigenschaften mehr oder weniger elektromagnetische Strahlung aus – man bezeichnet dies als ihren „Emissionsgrad“. Die Feuchtigkeit des Bodens und der Salzgehalt des Ozeanwassers verringern jeweils deren Emissionsgrad: Feuchter Boden und Salzwasser geben weniger Strahlung ab als trockene Erde und Süßwasser. Um im globalen Maßstab die zeitliche Entwicklung der schwankenden Mischungsverhältnisse von Erdreich zu Feuchtigkeit bzw. Salz zu Wasser aufzuzeichnen, wird MIRAS die von der Erdoberfläche im Mikrowellen-Frequenzband abgegebene Strahlung in regelmäßigen Abständen von 1,2 Sekunden quantitativ bestimmen. Da die Messungen hierfür jeden Urwald und jede Wetterfront durchdringen und bis in einige Sondierungstiefe reichen müssen, wurde beschlossen, MIRAS im L-Band (Frequenz 1,4 GHz / Wellenlänge 21 cm) zu betreiben, in welchem der Einfluss der Störfaktoren Pflanzendecke, Wetter und Atmosphäre am geringsten ist. Ein Vorteil dieser Frequenz ist auch, dass die Internationale Fernmeldeunion ihre Nutzung in der Vollzugsordnung für den Funkdienst auf Anwendungen in der Astronomie beschränkt hat, womit gewährleistet ist, dass es keine Interferenzen mit anderen, vom Menschen verursachten Strahlungsemissionen von der Erdoberfläche gibt. Um eine angemessene Abdeckung und räumliche Auflösung zu erzielen, sind bei verhältnismäßig niedrigen Frequenzen und langen Wellen wie im L-Band normalerweise gewaltige Antennen mit zig Metern Durchmesser erforderlich, deren Einsatz bei einer Satellitenmission jedoch schlicht undenkbar wäre.

 

Das ersten MIRAS Daten wurde am Ende November 2009 beim Europäischen Weltraumastronomiezentrum (European Space Astronomy Centre – ESAC) in Villafranca, Spanien empfangen (© ESA).


Hier haben sich die Konstrukteure des MIRAS-Instruments wirklich etwas einfallen lassen und eine elegante Lösung ersonnen: Sie realisierten die synthetische Apertur durch den Einsatz von 69 kleinen Antennenmodulen, verteilt über eine Y-förmige Struktur aus einem Hauptgerüst und drei Auslegern. Im Betrieb senden alle Empfänger ihre Messwerte an eine Zentraleinheit, die durch interferometrische Querkorrelationen die Signale je zweier Module zueinander in Beziehung setzt und dabei sämtliche möglichen Paarungen durchspielt. Durch diese Bündelung einer Vielzahl von Mini-Empfängern wird eine ähnliche Bildauflösung erzielt wie mit einer sehr großen einzelnen „Phantomantenne“.

 

So schafften die MIRAS-Entwickler den Kunstgriff, eine technische Anleihe bei der Konstruktion von Astronomie Teleskopen an einen kleinen Satelliten anzupassen – und brauchten dann nur noch die Blickrichtung umzukehren: hinab auf die Erde…

 

 

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