Wettersatellit

Ein Wettersatellit ist ein Erdbeobachtungssatellit, der der Beobachtung meteorologischer Vorgänge auf der Erde dient. Insbesondere in Gebieten, in denen keine Beobachtung vor Ort möglich bzw. sehr teuer ist (z.B. Ozeane), sind Daten von Wettersatellien unverzichtbar. Mit der Auswertung und Nutzung von Wettersatelliten befasst sich ein Teilgebiet der Meteorologie, die Satellitenmeteorologie.

Geschichte der Erdbeobachtung

1960: Erste Fernsehkamera auf dem Satelliten Tiros in der Erdumlaufbahn.
1966: Erste Daten der Essa-Serie können vom Deutschen Wetterdienst empfangen werden.
1970: Die NASA startet den ersten Satelliten der Noaa-Serie.
1975: Der erste Satellit vom GOES-Typ (NASA) wird gestartet, auch die Sowjetunion bringt mehrere meteorologische Satelliten ins All.
1977: Der erste Satellit der Meteosat-Reihe wird von der ESA in eine Umlaufbahn um die Erde gebracht.

Geostationäre Wettersatelliten

Geostationäre Satelliten fliegen auf einer Höhe von 35.800 km über dem Äquator. Da sie sich mit derselben Winkelgeschwindigkeit um die Erde drehen, wie die Erde um sich selbst, bleiben sie von der Erde aus gesehen an einem festen Punkt über der Erde stehen. Die Meteosat-Satelliten müssen zusätzlich noch um ihre eigene Achse rotieren, um sich zu stabilisieren (siehe zur Erklärung den Artikel Drehimpulserhaltung).

Geostationäre Satelliten haben den Vorteil einer hohen zeitlichen Auflösung; man erhält ca. alle 5 bis 30 Minuten ein neues Bild und kann somit die zeitliche Entwicklung von Wettersystemen gut beurteilen. Ein großer Vorteil liegt auch darin, dass bei jeder Aufnahme derselbe Bildausschnitt erfasst wird und somit auch Satellitenfilme, so genannte Loops erstellt werden können. Sämtliche auch aus den Medien bekannte (Wetter-) Satellitenfilme stammen von geostationären Satelliten. Die räumliche Auflösung liegt im Kilometerbereich (ca. 1 bis 5 km im Subsatellitenpunkt, also im Punkt der Erdoberfläche senkrecht unter dem Satelliten). Zu den Polen und Bildrändern hin wird die Auflösung jedoch immer schlechter, weil dort keine senkrechte Aufsicht durch den Satelliten mehr möglich ist.

Da ein geostationärer Satellit nur ca. 2/5 der Erdoberfläche abdeckt, ist ein internationaler Verbund von Satelliten notwendig.

Zur Zeit (Mitte 2005) sind folgende geostationären Satelliten im Einsatz:

zwei Meteosat-Satelliten von Eumetsat (Meteosat-8 bei 3° westlicher Länge und Meteosat-5 bei 63° östlicher Länge)
drei Satelliten vom GOES-Typ sowie Satelliten der amerikanischen Wetterbehörde Noaa (bei 75° und 135° westlicher Länge, sowie bei 155° östlicher Länge)
weitere Satelliten, die als Back-up dienen und deren Daten nur ausgewertet werden, falls einer der anderen Satelliten ausfällt, z.B. die Forschungssonde Envisat der ESA

Polarumlaufende Wettersatelliten

Polarumlaufende Wettersatelliten fliegen auf einer polaren, sonnensynchronen Bahn in ca. 800 km Höhe (siehe auch Low-Earth-Orbit-Satellit). Ein Umlauf dauert etwa 100 Minuten. Somit wird die Erdoberfläche in 12 Stunden einmal komplett abgetastet. Dem Nachteil der geringen Bildwiederholdfrequenz steht der Vorteil der guten räumlichen Auslösung (100 bis 1000 m, auch im Bereich der Erdpole) gegenüber.

Zusammen mit den geostationären Satelliten kann die Erde damit lückenlos beobachtet werden.

Polarumlaufende Wettersatelliten werden von den USA (Noaa-Typ), China und Russland betrieben. Zukünftig (ab dem zweiten Quartal 2006) wird sich auch Europa mit den Metop-Satelliten an diesem System beteiligen.

Aufgaben von Wettersatelliten

Analyse der aktuellen Wetterlage (synoptische Meteorologie), besonders auch in nicht oder nur schwer zugänglichen oder dünn bevölkerten Gebieten, damit Meteorologen eine genaue Übersicht über das wetterwirksame Geschehen erhalten (also u.a.Druckgebiete und Wolkenformen); also muss die räumliche Auflösung der Bilder hinreichend groß sein bei kleiner zeitlicher Auflösung.
Verwendung als Input in Wettervorhersagemodelle (Assimilation) und Überprüfung der Genauigkeit von Wettervorhersagen
Ermittlung von vertikalen Gradienten verschiedener Größen, beispielsweise der Temperatur, vor allem über Ozeanen und anderen Arealen ohne bzw. mit wenig Bodenmessungen
auch Atmosphärenforschung (Meteorologie, Klimatologie, Aerologie), weil dafür immer weniger Gelder für eigene Systeme zur Verfügung stehen

Funktionsweise und Datenauswertung

Wettersatelliten tragen als Nutzlast bildaufnehmende Sensoren (Radiometer). Diese messen die Strahlung in verschiedenen Spektralbändern (den so genannten Kanälen), hauptsächlich im sichtbaren und infraroten Bereich, gelegentlich auch im Mikrowellenbereich. Zur richtigen Interpretation der Daten muss man die Strahlungsgesetze der Physik anwenden. Im infraroten Bereich strahlt die Erde mit einer Durchschnittstemperatur von 15 Grad Celsius.

Die meisten Wettersatelliten können auch die elektromagnetische Strahlung der Erdoberfläche und der Erdatmosphäre messen. Wird die Strahlung nur detektiert, spricht man von passiven Instrumenten, im Gegensatz zu aktiven Instrumenten, bei denen Radar- oder Laserstrahlen ausgesendet werden und das reflektierte Signal gemessen wird.

Der sichtbare (solare) Kanal des Wettersatelliten (abgekürzt mit Vis für engl. visible) misst ausschließlich die von Erde und Atmosphäre reflektierte Sonneneinstrahlung. Da Wolken aus Wassertropfen besonders stark reflektierem, erscheinen sie in den Vis-Kanälen sehr hell, im Gegensatz zu Wolken aus Eiskristallen, die im nahen Infrarot am stärksten absorbieren und daher in diesen Kanälen dunkel erscheinen. Somit können die verschiedenen Wolkenarten unterschieden werden. Aus der Kombination der Daten aus den verschiedenen Infrarot-Kanälen kann man auf die verschiedenen vertikalen Wolkenschichten schließen. Aus Wolkenverlagerungen in aufeinander folgenden Bildern kann die Windrichtung bestimmt werden.

Da das Reflexionsvermögen der Erdoberfläche vom jeweiligen Bodentyp (der so genannten Albedo) abhängt, kann der Untergrund durch den Vergleich der Spektren verschiedener Vis-Kanäle identifiziert werden, besonders gut funktioniert die Unterscheidung bei den verschiedenen Vegetationen, was in der neueren Meteosat-Generation (MSG) zum Einsatz kommt. Sind keine störenden Wolken vorhanden, kann man mittels der Schwarzkörperstrahlung die Temperarur des Bodens oder der Meeresoberfläche bestimmen, was ebenfalls wichtig für die Erstellung von Wettervorhersagen ist.

Da von Satelliten ausgesandte Radarstrahlen an Wasserwellen gestreut werden und es somit aufgrund des Dopplereffekts zu einer Änderung der Frequenz des Radarstrahls kommt, können mit Wettersatelliten auch Wellenbewegungen gemessen werden. Die Wettervorhersage für den Kürzestfristbereich (ein bis drei Stunden), das so genannte Nowcasting, wird direkt aus den Satellitenbildern gewonnen. Für weitergehende Vorhersagen wird eine Zeitreihe aus zeitlich nacheinander aufgenommenen Bildern erstellt und die Entwicklung in die Zukunft ausgeweitet. Da das Nowcasting deutlich sichere Vorhersagen macht, muss das Netz an Daten für eine sichere Prognose sehr engmaschig sein, weswegen man dafür die hochauflösenden Wettersatelliten verwendet.

Weiterhin sind Einrichtungen zur Kommunikation an Bord der Wettersatelliten, z.B. zum Empfang von Wettermeldungen von automatischen Wetterstationen und zur Ausstrahlung der aufgenommenen Satellitenbilder.

Literatur

Ralf Becker, Oliver Sievers: Scharfe Augen im All. In: Spektrum der Wissenschaft 08/05, S. 40ff

Weblinks