SK-ZAG

Ihre Daten spielen in immer mehr Teilbereichen der Geowissenschaften eine immer wichtigere Rolle. Die Sensoren erfassen in kurzer Zeit, in regelmäßigen Abständen und mit globaler Überdeckung die Geometrie der Erde, verschiedenste Zustände auf der Erdoberfläche und in der Atmosphäre sowie das Schwerefeld und das Magnetfeld. Auf diese Weise entsteht Schritt für Schritt ein umfassendes, weltraumgestütztes Observatorium für das System Erde, für seine Zustände und seine Veränderungen.

Mit dem Konzept der „Low Earth-Orbiting Satellites“ (LEOS) und den innovativen Satellitenmissionen CHAMP (A Challenging Mini-Satellite Payload for Geophysical Research and Application) und GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) haben die Geowissenschaften Hochtechnologiefelder erschlossen und völlig neue Möglichkeiten eröffnet, um das System Erde aus dem Weltraum zu erfassen. An der Auswertung von CHAMP- und GRACE-Daten sind gegenwärtig über 150 Wissenschaftlergruppen aus 35 Ländern beteiligt. CHAMP und GRACE sind Beispiele für erfolgreiche geowissenschaftliche Großprojekte, durch die Forschungsanstrengungen gebündelt wurden und die zu einer breiten nationalen und internationalen Kooperation geführt haben. Bei den beiden ESA-Missionen GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer, Start März 2009) und SWARM (zur detaillierten Erkundung des Erdmagnetfeldes, Start 2010) haben deutsche Wissenschaftler in europäischer Kooperation die Federführung übernommen.

Das amerikanische GPS-System und demnächst auch das Galileo-System Europas bieten den Geowissenschaften eine enorme Breite von Anwendungen. Sie erlauben es, Objekte aller Art schnell und genau zu lokalisieren. Vor allem bilden sie einen Grundstein der globalen, hochgenauen Koordinaten-Bezugssysteme, insbesondere des International Terrestrial Reference Frame (ITRF). Die GPS-Satelliten erfassen kleine Schwankungen der Rotationsachse und der Rotationsgeschwindigkeit der Erde genauso zuverlässig wie die Bewegungen der Kontinentalplatten. Permanente GPS-Stationen beobachten mit Zentimeter- bis Millimetergenauigkeit kontinuierlich und in Echtzeit, wie sich die Erdkruste in Kollisions- und Erdbebenzonen verformt. Tsunami-Frühwarnsysteme nutzen GPS-Bojen auf den Ozeanen. In Skandinavien und in der Antarktis hebt sich das Land bis zu einen Zentimeter pro Jahr, weil die eiszeitlichen Gletscher verschwunden sind. Diese Landhebung wird ebenfalls mit GPS genau bestimmt. Aus den Messungen können die Viskositätseigenschaften des Erdmantels abgeleitet werden.

Carl Friedrich Gauss prägte im Jahre 1828 die Definition des so genannten Geoids: „Was wir im geometrischen Sinn Oberfläche der Erde nennen, ist nichts anderes als diejenige Fläche, welche überall die Richtung der Schwere senkrecht schneidet, und von der die Oberfläche des Weltmeeres einen Theil ausmacht“. Die Schwerefeld-Satelliten CHAMP, GRACE und GOCE kommen derzeit dem Ziel, diese von Gauss beschriebene Fläche zentimetergenau zu bestimmen, einen großen Schritt näher. Diese Missionen setzen neben der kontinuierlichen GPS-Bahnbeobachtung zwei neue innovative Techniken ein: zum einen verwenden sie Mikrowellentracking, um den Abstand zwischen zwei Satelliten in Mikrometergenauigkeit zu messen, zum anderen Gravitationsgradiometrie. Aus diesen Daten werden sehr genaue globale Schwerefeldmodelle abgeleitet. Sie bilden die Grundlage für einheitliche globale Höhensysteme und ermöglichen einen eindeutigen, zentimetergenauen Höhenbezug unabhängig von nationalen Pegelstationen. Das Satellitenpaar der Mission GRACE erfasst darüber hinaus kleinste zeitliche Änderungen des Schwerefeldes. Solche Schwankungen werden durch Massenverlagerungen in der Atmosphäre, im hydrologischen Kreislauf und in der festen Erde verursacht. Aus den bisher verfügbaren GRACE-Daten konnte erstmals errechnet werden, wie viel Wasser sich im Laufe der Jahreszeiten auf den Kontinenten verlagert.

Die Satellitenaltimetrie hat sich in den vergangenen drei Jahrzehnten zu einer wirkungsvollen Fernerkundungstechnik ent­wickelt. Wichtige Anwendungen finden sich in Ozeanographie, Geodäsie und Geophysik. Altimeter bestimmen die Geometrie von Wasser- und Eisoberflächen mittels Radar- oder Laserpulsen oder mit interferometrischen Verfahren. Ein Altimetersatellit wiederholt seine Bahn in regelmäßigen Zeitabständen von 10 oder 35 Tagen. Damit beobachtet er denselben Ausschnitt der Erdoberfläche ebenfalls in diesem Rhythmus. Dank der Satellitenaltimetrie ist die Geometrie der Meeresoberfläche heute weit besser bekannt als die der Kontinente. Unsere Kenntnis des Schwerefeldes ist zu einem wesentlichen Teil auf die Altimetrie zurückzuführen. Die Altimetrie ermöglicht es, die Topographie des Meeresbodens abzuleiten, die kontinentalen Eisschilde in regelmäßigen Zeitabständen auszumessen und die aktuelle Ausdehnung und Dicke des Meereises zu erfassen. Sie erlaubt es außerdem, Veränderungen des Meeresspiegels schnell, global und genau zu überwachen. Sie trägt damit wesentlich dazu bei, die Dynamik der Ozeane und die Massenumverteilung in den Ozeanen zu verstehen. So lässt sich einer der wichtigsten Indikatoren der globalen Klimaänderung erfassen: der Meeresspiegelanstieg, der sich möglicherweise beschleunigt. Wie bei vielen anderen Verfahren der Erdbeobachtung ist es auch bei der Satellitenaltimetrie wichtig, langjährige, kontinuierliche Zeitreihen aufzuzeichnen. Je länger die Zeitreihen, desto besser können Prozesse mit mehrjährigen Perioden wie die El-Niño-Oszillation verstanden werden. Langfristige Trends, zum Beispiel beim Meeresspiegelanstieg, lassen sich ebenfalls nur durch langfristige Beobachtungen erfassen.

Über Land werden weltraumgestützte Radarverfahren mit synthetischer Apertur (INSAR) eingesetzt, um die Topographie genau zu erfassen. Die digitalen Geländemodelle aus den Radaraufnahmen des Shuttlefluges im Jahr 2000 sind inzwischen frei verfügbar und finden eine immer breitere Anwendung in den Geowissenschaften. Der Vergleich von Radaraufnahmen vor und nach einem Erdbeben oder einem Vulkanausbruch ermöglicht es, Deformationen der Erdoberfläche in Millimeter-Genauigkeit zu beobachten. Solche Radaraufnahmen liefern die europäischen Satellitenmissionen ERS-2 und Envisat und der deutsche Satellit TerraSar-X.

Hochauflösende optische Sensoren und so genannte Hyperspektralsensoren sind in der Lage, sehr viele Spektren aufzulösen. Mit ihrer Hilfe lässt sich sehr gut erkennen, wie die Landfläche genutzt wird und aus welchem Material die Erdoberfläche besteht. Außer den klassischen Fernerkundungssystemen Landsat und Spot gibt es heute auch hochauflösende Sensoren. Satelliten wie Quickbird oder WorldView erreichen eine Auflösung von etwa 50 Zentimetern und stellen in dieser Qualität auch Stereoaufnahmen her. Die deutsche Initiative EnMap ist dabei, einen hochauflösenden Hyperspektralsatelliten zu bauen, der mehr als 400 spektrale Kanäle trennen kann. Das Haupteinsatzgebiet solcher Sensoren ist die Geologie. Zudem sollen sie die Art der Landnutzung und Landnutzungsänderungen ermitteln.

Unbemannte Luftfahrzeuge, so genannte High Altitude Long Endurance (HALE) Systeme, fliegen in mehr als 14 Kilometern Höhe mehrere Monate lang autonom und können mit Sensorsystemen Aufnahmen tätigen. Diese Systeme haben den Vorteil, dass sie sich gezielt für einen längeren Zeitraum über bestimmten Gebieten einsetzen lassen. Kleine luftgestützte Systeme, so genannte Drohnen, sind ebenfalls flexibel einsetzbar. Sie lassen sich mit Kameras und anderen Sensoren ausstatten und erheben lokal Geoinformationen.

In den vorangegangenen Abschnitten wurden einige weltraumgestützte Beobachtungsmethoden und ihre geowissenschaftlichen Anwendungen diskutiert. Satellitenmissionen, die das Erdmagnetfeld beobachten, die Bodenfeuchte oder Salzgehalt der Ozeane (SMOS), Vegetation oder Landnutzung erfassen, gehören ebenso in den geowissenschaftlichen Zusammenhang. Deutschland hat sich in den vergangenen Jahren stark für die Erdbeobachtung mit Satelliten engagiert und beteiligt sich mit wesentlichen Beiträgen an den europäischen Erdbeobachtungsprogrammen. Dazu gehören zum Beispiel das „Living Planet” Programm der ESA und das geplante Programm „Global Monitoring for Environment and Security” (GMES) der ESA und der EU. Aber auch nationale Projekte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und internationale Kooperationen, beispielsweise mit der NASA, sind sehr erfolgreich. Auch internationale Initiativen zur Erdbeobachtung greifen auf deutsches Know-how zurück, zum Beispiel die Initiative „Global Earth Observation System of Systems“ (GEOSS). Die deutsche Raumfahrtindustrie spielt sowohl beim Bau von Satelliten und Antriebssystemen als auch bei der Entwicklung innovativer Erdbeobachtungssensoren eine wichtige Rolle.