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Antarctica 2003 - Hintergrund
 
In den sehr hohen Breitengraden unserer Erde sind dichte Wolkendecken an der Tagesordnung. Deshalb haben wir auch trotz Satellitenüberwachung nur wenig Informationen über diese abgelegenen Gebiete. Tatsächlich zeichnen viele Beobachtungssatelliten Bilder im Bereich des sichtbaren und des Infrarotlichts auf - was wir auf diesen Aufnahmen sehen, sind hauptsächlich Wolkenbanken. Außerdem sind optische Beobachtungen überhaupt nur in den Sommermonaten möglich. Im Winter sind diese Landschaften in vollkommene Dunkelheit getaucht. Dies hat sich mit der Einführung von satellitengestütztem Radar geändert. Seit dem Start von ERS-1 im Jahr 1991 ist ein regelrechter Schatz an Daten über beide Polargebiete verfügbar geworden. Seit 2002 werden die eisigen Welten noch häufiger in 400 km breiten Streifen von Envisat abgetastet.
 
Radargeräte sind aktive Fernerkundungsinstrumente, die Mikrowellenimpulse aussenden und deren Echos empfangen. Um diese Echos auszuwerten und zu einem Bild, dem Radarbild, zusammenzusetzen, ist eine ziemlich hohe Rechenleistung erforderlich. Da Mikrowellen Wolken durchdringen, haben wir stets perfekte Sicht auf die Erdoberfläche. Aber mehr als das. Mikrowellen durchdringen auch die Vegetation, trockenen Boden und trockenen Schnee. Unter Wasser können Radargeräte allerdings nicht sehen.  
 
Radar image from the ERS satellite
Dieses Radarbild des ERS-Satelliten zeigt einen Flughafen, Straßen, Gebäude und Grasflächen
Die Informationen, die in Radarbildern sichtbar werden, haben nichts mit den Farben normaler Fotos oder optischer Satellitenaufnahmen zu tun. In Radarbildern sehen wir die Oberflächenstruktur. Dies erklärt sich durch die Rauheit der Oberfläche. Was bedeutet „Rauheit“ aber genau, was ist eine raue Oberfläche? Für die Radargeräte von ERS und Envisat stellen Gras- und Weideflächen und Wiesen glatte Oberflächen dar. Dagegen sehen sie Wälder oder Ortschaften als raue oder sehr raue Oberflächen.
 
 
Radar image from a coastal image
Radarbild einer Meeresoberfläche mit Windfronten
Die Oberflächenrauheit lässt sich sehr schön an Gewässern wie etwa einem Teich, einem See oder dem Meer beobachten. Bei Windstille bleibt die Oberfläche unbewegt, was sich für das Radargerät als glatt darstellt (es registriert kaum eine Rückstrahlung). An windigen Tagen sehen wir Wellen, deren Höhe von der Windstärke abhängt. Für das Radargerät ist diese Oberfläche dann rau bis sehr rau. Ein Großteil der Radarenergie wird zurückgestrahlt und schlägt sich im Bild als heller Bereich nieder. Je heller das Bild ausfällt, desto höher ist die Windgeschwindigkeit. Jetzt kannst du die folgende Frage beantworten: In welcher Graustufe werden Grasflächen, Autobahnen, Rollfelder und unbewegte Wasseroberflächen in Envisat-Radaraufnahmen dargestellt?

Natürlich in einem ganz dunklen Grau!
 
 
Lambert glacier
Einer der größten Gletscher der Antarktis: der Lambert-Gletscher. Das Bild erfasst eine Fläche mit einem Durchmesser von 400 km
Wie du siehst, sind die Bilder nur schwarzweiß. Weiße Bereiche deuten auf raue Oberflächen hin, dunklere Bereiche auf glatte Oberflächen. Unsere Bilder der Antarktis stammen aber aus einer eigenartigen, uns unbekannten Welt, in der Schnee und Eis dominieren. Es gilt zu verstehen, wie die vom Radargerät ausgesendeten Mikrowellen auf diese Oberflächen reagieren.

Wir erwarten Oberflächen aus Schnee, Eis, Fels, Kies, andere nackte Bodenflächen sowie Wasser. In Bezug auf Wasser müssen wir herausfinden, was Rauheit bedeutet. Felsboden wird hauptsächlich hell dargestellt, Kies aus kleinen Steinen und insbesondere schlammiger, nackter Boden erscheinen schwarz. Schnee und Eis machen die Angelegenheit etwas komplizierter, da Mikrowellen sehr trockenen Schnee und trockenes Eis durchdringen. Das bedeutet, dass wir nicht nur von der Oberfläche, sondern auch aus der Tiefe Informationen erhalten können.
 
 
Gletscher der Küste von Antarktika
In den Polargebieten ist der Boden fast das ganze Jahr über gefroren und deshalb trocken. Die höheren Regionen der Antarktis sind sogar das ganze Jahr über gefroren. Dieses Gebiet erscheint im Bild dunkel. Die Mikrowellen dringen tief in den Untergrund ein und werden schließlich absorbiert. Er besteht aus tiefem, fest zusammengepresstem Schnee, der sich langsam und ohne zu schmelzen in Eis verwandelt. Diesen Vorgang nennt man die Metamorphose von Schneekristallen.

Trockener Schnee in niedrigeren Gegenden und auf Meereshöhe in der Antarktis erscheint hauptsächlich hell, da er gefriert und schmilzt. Dabei entstehen Eislinsen, kleinere Eisschichten innerhalb der Schneedecke. Diese Linsen sind für die starke Rückstrahlung und somit die helle Darstellung in den Aufnahmen verantwortlich. Aber auch in niedrigeren Gebieten lassen sich dunkle Bereiche beobachten. Sie bestehen entweder aus blankem Boden oder nassem Schnee. In beiden Fällen haben wir es mit einer glatten Oberfläche zu tun, in die aufgrund des hohen Gehalts an flüssigem Wasser keine Mikrowellen eindringen können.
 
 
Kompliziert wird es auf dem Meer, wo die verschiedensten Arten von Eis und offenes Wasser oder einfach kleinere und größere Öffnungen, so genannte Rinnen, aufeinandertreffen.

Das Eis, bei dem es sich größtenteils um Meereis (gefrorenes Meerwasser) handelt, tritt in vielen verschiedenen Formen auf, die von sehr kleinen Teilchen bis hin zu Eisschollen und riesigen Eisbergen reichen. Außerdem sind Wind und Strömungen zu beachten, die das Eis verschieben, aufeinanderschichten und somit nicht nur die Form des Packeises, sondern auch die unseres Radarsignals beeinflussen.

Zur Erleichterung der Bildinterpretation betrachten wir nun die wichtigsten Arten von Meereis. Außerdem wird die Schwierigkeit eingestuft, die der jeweilige Eistyp für die Seefahrt bedeuten kann.
 
 
Example of interpretation of different ice types
Beispiel für die Interpretation unterschiedlicher Arten von Eis.
Meereistypen:
 

  • Eisschlamm: eine suppenartige Schicht von Eis in der Entstehungsphase. Sie glättet die Wasseroberfläche und lässt sie im Radarbild dunkel wie eine Ölschicht erscheinen (sie kann tatsächlich aussehen wie ein Ölteppich).

  • Shuga-Eis: Ansammlung schwammiger Eisklumpen. Es sieht Eisschlamm ähnlich, glättet die Wasseroberfläche aber noch mehr, d. h., auch bei größeren Windgeschwindigkeiten. Häufig erscheint es in Form von langen, dunklen Streifen, die vom Wind getrieben werden, während das umliegende Wasser aufgrund des Seegangs hell abgebildet wird. Große Dünungen sind in solchen Gebieten mitunter leicht zu erkennen. Es stellt keine Schwierigkeit für Eisbrecher dar.

  • Pfannkucheneis: Runde Eisstücke mit einem Durchmesser von bis zu 2 m und wulstigen Rändern. Im Radarbild erscheinen diese Eiszonen hell. Die Dünung kann sich durch diesen Eistyp bewegen. Zu sehen sind dann lange Wellen. Eisbrecher durchqueren dieses Eis problemlos.

  • Graues Eis, erstjähriges Eis: große Eisschollen, die häufig vom Wind ineinandergeschoben werden. Im Radarbild erscheint es hauptsächlich dunkelgrau. Dieses Eis lässt sich kaum durch den Seegang heben und senken. In der Regel wird es von Eisbrechern durchfahren.

  • Mittleres bis dickes erstjähriges Eis: Im Gegensatz zu den vorher genannten Eistypen, die die Temperatur des Wassers annehmen, ist mittleres oder dickes erstjähriges Eis meistens dicker als 70 cm und bildet eine Isolationsschicht zwischen Wasser und Luft. Die Oberfläche dieser vorrangig großen Schollen weist eine eher hohe Rauheit auf und erscheint im Radarbild deshalb hell. Sie zu durchbrechen ist für Eisbrecher aufwendig, die größere Schollen deshalb normalerweise umfahren.

  • Festeis: Festeis oder Landeis ist ebenfalls erstjähriges Eis, das sich in der Nähe der Küsten findet. Dieser Typ ist sehr glatt und folglich im Radarbild dunkel. Ein Schiff, das es durchfährt, hinterlässt eine Spur. Häufig müssen Eisbrecher dieses Eis durchqueren, um Forschungsstationen am Ufer zu erreichen. Dies kann dem Eisbrecher mitunter Schwierigkeiten bereiten.

  • Zweit- und mehrjähriges Eis: viele Meter dickes Meereis, das häufig riesige Eisschollen bildet. In nahezu geschmolzenem Zustand bildet es kleine Eisberge. Große Schollen weisen verschiedene Strukturen wie etwa überfrorene Risse auf. Im Radarbild erscheinen sie mäßig bis sehr hell, im Sommer können sich aber dunkle Flecken von Schmelztümpeln oder nassem Schnee auf den Schollen zeigen. Eisbrecher meiden diesen Eistyp. Bei der Navigation ist höchste Vorsicht geboten.


     
     
    ASAR image of 20 November 2003

  • Rieseneisschollen und Tafeleisberge aus kalbenden Gletschern (kein Meereis): riesige Schollen von mehreren dutzend oder gar bis zu mehreren hundert Metern Dicke. Ihre Oberfläche kann hunderte von Quadratkilometern groß sein und je nach Alter, Oberflächenbedeckung und Umgebungstemperatur hell oder dunkel erscheinen. Sie alle aber haben einen hellen und einen dunklen Rand. Der helle Rand ist die zum Radar gerichtete Eiswand (das Radargerät „blickt“ nie senkrecht nach unten, sondern stets in Flugrichtung gesehen nach rechts). Der dunkle Rand hingegen ist die von den Radarwellen abgewandte Wand. Kleinere Eisberge sind einfach als helle Punkte sichtbar. Riesige Tafeleisberge leben mitunter viele Monate und wandern sogar in niedrigere Breiten. All diese Eiskörper stellen eine ernsthafte Gefahr für die Seefahrt dar (man denke nur an die Titanic!). Eisbrecher weichen ihnen in großen Bögen aus, um noch nicht einmal in ihre Nähe zu gelangen!
Wie groß ein Eisberg mindestens sein muss, um von einem Radargerät erkannt zu werden, hängt einerseits von der Größe der aus dem Wasser herausragenden Eismasse und der räumlichen Auflösung und andererseits vom jeweiligen Hintergrund ab. Ohne Seegang ist ein Eisberg von der Größe eines kleinen Hauses (über dem Wasser) wahrscheinlich in einem Radarbild mit hoher Auflösung (25 m) sichtbar. Bei einer Aufnahme mit großer Streifenbreite und mittlerer Auflösung (150 m) müsste der Eisberg wohl ein wenig größer sein. Bei starkem Seegang lassen sich kleine Eisberge nicht vom Hintergrund unterscheiden und können unerkannt bleiben. Größere Eisberge (über 500 m) sind jedoch sichtbar.

All diese Hinweise sind dir bei der Interpretation von Radarbildern aus arktischen oder antarktischen Gebieten hilfreich.
 
 

 


Antarctica 2003 Expedition
Einführung
Übungen
Arbeitsblatt EinführungÜbung 1: Kreuzfahrt in die AntarktisÜbung 2: Führe den Eisbrecher durch das Eis (Übung anhand von Aufnahmen und Kartenmaterial)Übung 3: Führe den Eisbrecher durch das Eis (Übung am Computer)Übung 4: Hilfe, der Eisbrecher steckt fest!
 
 
 
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