Wohl kaum eine andere Satellitenmission dieses Jahr hat soviel mit meiner Arbeit zu tun wie SMOS – ist doch die Bestimmung des Wassergehaltes im Boden genau mein Thema. Gut, bei mir sind die Skalen deutlich kleiner, aber Remote Sensing ist am oberen Skalenende das Mittel, den Wassergehalt des Bodens zu bestimmen. Und dieser ist eine wichtige Größe, denn er bestimmt die Prozesse am Rand zwischen Atmosphäre und dem Boden. Diese oberen paar Meter, die ungesättigte Zone, bestimmt so vieles. Sie hat Einfluss auf Grundwasserbildung, auf Regenabfluss, auf Energieaustausch und Verdunstung, somit auf Wetter und Klima, auf Pflanzenwachstum, auf Stofftransport. Realistische Wassergehaltsmessungen sind eine Basis für zukünftige Verbesserungen der Modellierung all dieser wichtigen Probleme. Und auf der großen Skala liefern dort Satelliten die Daten. Bald auch der neue Satellit – SMOS – denn er ist in der vorletzten Nacht erfolgreich gestartet.
Der Satellit trägt ein Instrument, dass sich MIRAS nennt und ein spezielles Mikrowellen-Radiometer ist. Die Aufgabe eines Radiometers besteht darin, von der Erdoberfläche emittierte Mikrowellenstrahlung zu beobachten. Die Abstrahlung der Mikrowellen aber hängt von der Beschaffenheit der oberen cm des Bodens ab – vor allem davon, wie feucht der Boden ist.
SMOS hat eine weitere Aufgabe, nämlich den Salzgehalt des Ozeans zu bestimmen, der ebenso wieder das Abstrahlungsverhalten bestimmt. Diese Information wird beim Verstehen der Ozeanzirkulation helfen. Neben den namensgebenden Aufgaben (Soil Moisture and Ocean Salinity) soll SMOS auch noch bei Untersuchungen von Schnee- und Eisbedeckung eingesetzt werden können.
Radiometer auf Satelliten sind nichts neues, aber bislang ist die Auswertung oft ein schwieriges Verfahren, vor allem weil das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis so schlecht ist, also es besonders schwierig fällt das Signal aus dem Hintergrund herauszufiltern. Außerdem ist die Auflösung nicht besonders gut, und liegt nur so bei 50-100 km. SMOS wird das jetzt auf 35 km verbessern und ein besseres Signal liefern, da das Radiometer ein Interferometer ist.
Das Instrument, müsste zum Erreichen der räumlichen Auflösung normalerweise sehr groß sein.
Um das zu umgehen, ist MIRAS aus 69 kleinen Radiometern aufgebaut, die entlang der drei Arme sitzen. Die Arme wurden ausgefahren, nachdem der Satellit im All war. Jedes dieser 69 Elemente, genannt LICEF, ist eine kleine Antennen-Empfänger-Einheit, die von der Erde kommende Strahlung im Wellenlängen-Bereich von 1400-1427 MHz misst.
Indem man die kleinen Instrumente interferometrisch verbindet, erhält man ein virtuelles Rieseninstrument. Und das geht so:
Bei der Interferometrie bestimmt man den Phasenunterschied zwischen einlaufenden Wellen – hier durch Korrelation aller möglicher Kombinationen zweier kleiner Radiometer. Die Phase ist quasi die Position, die auf der Welle gerade vorliegt, irgendwo zwischen Wellenberg und Wellental. Da Wellen, die vom gleichen Ort auf der Erde starteten, ganz leicht verschiedene Strecken zu den 69 Empfängern zurücklegen müssen, sind ihre Phasen nicht gleich beim Auftreffen auf einen Empfänger. Mehr noch – aus dem Unterschied in der Phase zusammen damit, dass man ja die Strecke zwischen den Empfängern genau kennt (die baseline), kann man so ermitteln wo die Wellen herkamen. So erreicht man eine bessere räumliche Auflösung. Zusammen mit erheblichen Fortschritten in der Elektronik konnte man so ein wesentlich genaueres Instrument mit SMOS ins All schicken.
SMOS gehört übrigens zu einer Reihe von “Earth Explorern”, die die ESA in ihrem Living Planet-Programm ins All schießen wird. Bereits oben ist GOCE, als nächstes wird CryoSat2 starten, der präzise Eisdickemessungen vornehmen soll. Der erste CryoSat ist leider nicht erfolgreich gestartet und misst jetzt Fische…
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