Erdbeobachtungssatelliten tragen eine Vielzahl von Instrumenten, die sowohl passive als auch aktive Messtechniken verwenden. Diese Sensoren erfassen je nach Sensortyp Strahlung in verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums.
Die ESA-Klimaschutz-Initiative liefert einen einzigartigen Beitrag für die Erstellung von Klimadatensätzen mit möglichst langen Zeitspannen, indem sie die Daten verschiedener Sensoren, die von verschiedenen Raumfahrtbehörden betrieben werden, zusammenführt. Im Folgenden sind die wichtigsten ESA-Missionen, die zur Erstellung von Langzeit-Datenreihen wesentlicher Klimavariablen verwendet werden, beschrieben.
ERS | ENVISAT | CryoSat | SMOS | Sentinel-1 | Sentinel-2 | Sentinel-3 | Sentinel-5P | Zukünftige Missionen für das Klima
ERS-Mission
Im Laufe von fast zwei Jahrzehnten lieferte die ERS-Mission (European Remote Sensing Satellite) eine Fülle wertvoller Informationen zur Verfolgung von Veränderungen des Meeresspiegels, des Seegangs, der Meeresoberflächentemperatur, der Meereisdicke, der Höhe und Fließgeschwindigkeit der Eisschilde, der Landoberflächentemperatur, der Bodenfeuchtigkeit, der Wolken, der Aerosole und mehr.
Der Satellit ERS-1 wurde 1991-1999 durchgeführt und war die erste sonnensynchrone, polar umlaufende Mission der ESA. Sie führte ein neu entwickeltes Instrument namens Synthetic Aperture Radar (SAR) mit sich: ein abbildendes Radar, das in der Lage ist, unabhängig von der Wolkenbedeckung und unabhängig davon, ob es Tag oder Nacht ist, qualitativ hochwertige Bilddaten zu erzeugen. Es trug des weiteren auch einen Radarhöhenmesser zur Messung der Oberflächenhöhe, einschließlich Wellenhöhe und Windgeschwindigkeit, und einen Infrarot-Bildsensor, ein so genanntes Radiometer. Der Satellit ERS-2 arbeitete von 1995 bis 2011 mit der gleichen umfassenden Nutzlast und zusätzlich mit einem neuen Sensor zur Messung der Ozonwerte in der Atmosphäre.
ENVISAT
Mit ENVISAT (ENVIronmental SATellite) hat die ESA die Nachfolge von ERS angetreten. ENVISAT arbeitete 10 Jahre von 2002 bis 2012 und bot einerseits Kontinuität der Messungen von ERS, und trug andererseits aber auch weitere fortschrittliche Instrumente zur Überwachung der atmosphärischen Gase und der Meeresbiologie. Die ENVISAT Mission war mit insgesamt zehn Instrumenten ausgestattet, darunter das Spektrometer SCIAMACHY, mit dem Spurengase in der Atmosphäre, sowie Wolken und Aerosol nachgewiesen werden konnten. Diese Daten tragen zu Langzeitaufzeichnungen von Ozon, Kohlendioxid, Methan und Wasserdampf bei. Die Daten des GOMOS-Okkultationsspektrometers ermöglichten Langzeitaufzeichnungen von Aerosol, Ozon und Wasserdampf. Der MERIS-Sensor von ENVISAT, ein Multispektralradiometer, trägt zu Klimadatensätzen für Aerosol, Wolken, Landbedeckung, Ozeanfarbe und Wasserdampf bei.
CryoSat
CryoSat ist eine sogenannte ESA Earth Explorer-Mission und ist speziell auf die eisbedeckten Teile unseres Planeten spezialisiert. Sie wurde 2010 gestartet und liefert immer noch Daten. CryoSat trägt das Instrument SIRAL - ein hochentwickelter Radar-Höhenmesser, der die Höhe der Eisschilde und der Meereisbedeckung misst. Neben der Eisdicke werden die SIRAL-Daten auch für Langzeitaufzeichnungen des Meeresspiegels und der Wellenhöhe verwendet.
SMOS
Die SMOS Mission (Soil Moisture and Ocean Salinity, Bodenfeuchte und Ozeansalzgehalt) ist eine ESA Earth Explorer-Mission, die 2009 gestartet wurde. Sie verfügt über ein abbildendes Mikrowellen-Radiometer (L-Band) namens MIRAS, das zu den CCI-Klimadatensätzen für Bodenfeuchte und Ozeansalzgehalt beiträgt.
Sentinel-1
Sentinel-1 ist der erste der Sentinel-Satellitenfamilie, die 2014 im Rahmen des Copernicus-Programms der Europäischen Union gestartet wurde. Copernicus wird von der Europäischen Kommission in Partnerschaft mit der ESA, den EU-Mitgliedstaaten und anderen EU-Agenturen koordiniert. Bei Sentinel-1 handelt sich um eine Radar-Mission zur Überwachung von Land und Ozeanen. Sentinel-1 trägt ein C-Band-Radar mit synthetischer Apertur, das bei allen Wetterbedingungen, ob Tag oder Nacht, Bilder mit mittlerer und hoher Auflösung bis zu 5m räumlicher Auflösung liefert. Seine Daten erlauben u.a. die Kartierung der Waldbedeckung und tragen so zur Erstellung der globalen CCI-Karten der oberirdischen Biomasse, die die Menge des in der Vegetation gespeicherten Kohlenstoffs quantifiziert, maßgeblich bei. Mit Hilfe einer Technik namens InSAR können die Bilder von Sentinel-1 auch dazu verwendet werden, Veränderungen in der Oberflächentopologie zu entschlüsseln, um Oberflächenbewegungen zu bestimmen und Karten über die Geschwindigkeit des Eisschildes und die Lage der Gletscherbodenlinien zu erstellen.
Sentinel-2
Die Copernicus Sentinel-2-Mission nimmt systematisch Bilder mit hoher räumlicher Auflösung - bis zu 10 m Auflösung - über Land und Küstengewässern in mehreren Wellenlängen auf. Die Bilder der 2015 gestarteten Mission werden verwendet, um die wesentlichen Klimavariablen der Gletschereisgeschwindigkeit, der globalen Brandflächen sowie Karten der Landbedeckung zu erstellen.
Sentinel-3
Sentinel-3 ist eine 2016 gestartete Copernicus-Mission mit mehreren Sensoren zur Beobachtung der Eigenschaften und des Verhaltens der Ozeane. Die Mission stellt bei verbesserter Qualität und neuen Datenprodukten auch die Kontinuität mit den Daten von ENVISAT- und CryoSat her. Sentinel-3 Daten werden in Klimadatensätzen der Ozeanfarbe, der Landbedeckung und des Wasserdampfs (vom abbildenden Spektrometer OLCI), der Temperatur der See- und Landoberfläche (SLSTR-Radiometer) und des Meeresspiegels (SRAL-Radarhöhenmesser) verwendet.
Sentinel-5P
Sentinel-5P - bekannt als Sentinel-5 Precursor - ist der Vorläufer der Sentinel-5-Copernicus-Mission, die sich der Luftqualität und dem Klima widmet. Es wurde 2017 gestartet und trägt den TROPOMI-Sensor, der das bis heute fortschrittlichste multispektrale abbildende Spektrometer auf einem Satelliten ist. Es beobachtet Sonnenlicht, das von der Erdoberfläche und der Atmosphäre in den Weltraum zurückgestreut wird, und erkennt die einzigartigen Fingerabdrücke von Gasen in verschiedenen Teilen des Spektrums. Eine Vielzahl von Schadstoffen wie Stickstoffdioxid, Ozon, Formaldehyd, Schwefeldioxid, Methan und Kohlenmonoxid kann genauer als je zuvor abgebildet werden. Daten von Sentinel-5P werden verwendet, um den CCI-Klimadatensatz der globalen Methankonzentrationen zu erstellen.
Zukünftige Missionen für das Klima
Um den zukünftigen Datenbedarf zu decken, baut die ESA neue Earth-Explorer-Satelliten und eine neue Serie von Sentinel-Satelliten im Rahmen des Copernicus-Programms der EU.
Earth Explorer-Missionen in Vorbereitung:
EarthCARE: Atmosphärisches Lidar (ATLID) zur Messung von Aerosolen und dünnen Wolken; Wolkenprofilierungsradar (CPR), das Informationen über dickere Wolken liefert und vertikale Geschwindigkeiten von Wolkenpartikeln beobachtet.
Biomass: Ein P-Band-SAR zur Bestimmung der in Wäldern gespeicherten Menge an Biomasse und Kohlenstoff.
FLEX: Ein abbildendes Spektrometer im roten und nahen Infrarot-Spektralbereich, um Pflanzenfluoreszenz zu erkennen.
FORUM: Eine Mission zur Überwachung der fernen Infrarotstrahlung am Außenrand der Atmosphäre, um die Stärke des Treibhauseffekts zu bestimmen, der für die Klimamodellierung von entscheidender Bedeutung ist.
Copernicus-Sentinel-Missionen in Vorbereitung:
- Sentinel-6/JASON-CS-Mission: Die ESA entwickelt den Poseidon-Höhenmesser der nächsten Generation für topographische Messungen von Ozeanen, Küsten und Binnengewässern, der im November 2020 gestartet wurde.
Copernicus-Kandidatenmissionen von hoher Priorität:
- CO2M: ein abbildendes Spektrometer mit relativ hoher räumlicher Auflösung zur Verfolgung einzelner CO2-Quellen und zur Unterscheidung zwischen anthropogenen und natürlichen Quellen des Gases.
- CHIME: Ein hyperspektrales abbildendes Radiometer, das detaillierte Informationen über den Gesundheitszustand von Pflanzen, die Kartierung der Küsten und der Landbedeckung liefert.
- LSTM: Ein thermisches Infrarot-Radiometer zur Messung der Landoberflächentemperatur und der Evapotranspirationsraten in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit.
- CRISTAL: Ein Höhenmesser zur Messung der Höhe der Eisfelder der Erde zur Kartierung von Meereisdicke und Schneehöhe sowie der Eishöhe an Land.
- ROSE-L: Ein L-Band-Radar zur Beobachtung von Eis, aber auch von vielen anderen Oberflächen, darunter Wälder, verschiedene Pflanzenarten und Böden.
- CIMR: Ein Mikrowellen-Radiometer zur Messung der Meeresoberflächentemperatur, des Salzgehalts und der Meereiskonzentration.