Envisat - der Teufel steckt im Datensatz

Envisat
Envisat wird Ende Februar gestartet
25 Januar 2002

ENVISAT N° 4

Im Erdgeschoß eines modernen, klimatisierten Gebäudes am Stadtrand von Rom hantiert ein junger Wissenschaftler mit einer "Pizza". Doch diese "Pizza" ist nicht sein Mittagessen. In der Umgangssprache der Experten in ESRIN, der italienischen Niederlassung der Europäischen Weltraumagentur ESA, bezeichnet es die großen quadratischen Kassetten, auf denen Informationen aus dem Weltraum gesammelt werden.

Auf jeweils 1,7 Kilometern Datenband, werden solche "Pizzas" schon bald auch die Daten abspeichern, die der neue Umweltsatellit der ESA mit dem Namen Envisat, dessen Start für Ende Februar vorgesehen ist, zur Erde senden wird.

Der Europäische Umweltsatellit Envisat ist mit seinen zehn Beobachtungsinstrumenten an Bord vielleicht das ehrgeizigste Projekt, das die ESA je gestartet hat. Aber die Instrumente alleine machen es nicht aus. Es sind eher die Menge und die Qualität der zu erwartenden Daten, die die Phantasie der Wissenschaftler beflügeln. Klimaforscher glauben, daß die Daten in den "Pizzas" einige der drängendsten Probleme im weltweiten Klimawandel werden lösen helfen.

Wenn es so kommt, so haben die Fachleute keinen Zweifel daran, daß Envisat auch politische Prozesse beeinflussen wird. Mark Doherty, Chef der Datenauswertung in ESRIN ist sich über die Wirkung des Umweltsatelliten sicher: "Belastbare, glaubwürdige Umweltdaten werden in den kommenden fünf bis fünfzehn Jahren eine wirtschaftliche, politische und vielleicht auch sicherheitsrelevante Notwendigkeit werden. Das wird brandaktuell. Und Europa muß sich die Technologie sichern, um dabei zu sein." Der Ire glaubt, daß die wertvolle Ladung von Envisat nicht nur Wissenschaftlern und Politikern, sondern Jedermann zu Gute kommen wird.

Was läßt einen nüchternen Wissenschaftler wie Mark Doherty glauben, ein Satellit könne die Welt verändern? Es ist die Zuversicht, daß die gute Wissenschaft zu öffentlichem Bewußtsein und politischem Handeln führt. Beide beginnen jedoch mit qualitativen Daten.

Wissenschaftler aus allen Bereichen würden fast immer eingestehen, daß sie zwar nach der Wahrheit suchen, sie aber weder kennen noch erschaffen. Wissenschaft kann nur die Beweise zuliefern, ganz wie es der Britische Forscher Sir Francis Bacon schon vor fast 400 Jahren bemerkte: "Der Mensch ist nichts als der Diener und Deuter der Natur. Alles was er tut und denkt ist Spiegelbild dessen, was er der Naturordnung abgeschaut hat oder zumindest abgeschaut haben will."

Global Change
Envisat wird zum besseren Verständnis der Wirkung von Kohlenstoffgasen auf die globale Erwärmung beitragen.

Die gleichen Daten, die die Wissenschaft zunächst stützen, können sie ebenso gut schwächen oder gänzlich in Frage stellen. Nirgends wird dies deutlicher als in der Frage des Klimawandels. Trotz der allgemeinen Lehrmeinung über die Rolle des Kohlendioxid in der globalen Erderwärmung wissen wir immer noch nicht, wie viel CO2 es überhaupt gibt und wie es in den Meeren und Wäldern umgewandelt wird.

Prof. Hartmut Grassl, ehemaliger Direktor des Weltklima- Forschungsprogramms (WKFP), fürchtet gar, daß diese Wissenslücke um den Kohlenstoff die politische Diskussion besonders anfachen werde. Grassl ist jedoch zuversichtlich, daß Envisat dieses Problem lösen werde: "Wir haben einen Sensor an Bord, mit dem wir den CO2-Gehalt in der Luft messen können - das Instrument heißt SCIAMACHY und verspricht einen wahren Durchbruch im Verständnis des Kohlestoffkreislaufs. Bald werden wir wissen, wo Kohlenstoffgase entstehen und wo sie wieder verschwinden. Wenn man dann den Gesamt-Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre für eine bestimmte Region bestimmen kann und diese Region alle paar Tage neu vermißt, dann kann man berechnen, wie viel CO2 etwa über Deutschland oder Österreich ausgestoßen und wie viel wieder aufgenommen wird. Dieses Modell ergänzen wir mit anderen Daten und erhalten eine Nettobilanz des Kohlestoffs. So können wir zuverlässig sagen, ob die Wälder in den Alpen wirklich unsere Kohlendioxid-Fresser sind."

Sciamachy Optical Assembly
SCIAMACHY optical assembly

Solche Erkenntnisse könnten die laufenden politischen Verhandlungen enorm beflügeln. Das Tauziehen um die wahren Ausmaße des Kohlenstoffausstoßes beherrscht die Verhandlungen um die Umsetzung des Kyoto Protokolls. Jos Delbeke, einer der Verhandlungsführer auf Seiten der Europäischen Union und Direktor des Klimasekretariats der Europäischen Kommission, wartet schon ungeduldig auf die Envisat-Daten: "Die verfügbaren Satellitendaten sind bislang relativ schwach, mit Ausnahme der CO2-Messungen. Mit allen anderen Treibhausgasen und dem Kohlenstoffkreislauf haben wir noch große Unsicherheiten, sogar Verfahrensprobleme. Aber wenn wir gleichzeitig ein regionales und ein globales Bild über das CO2 haben, dann bringt uns das gehörig weiter."

Eine starke Datenbasis mit Hilfe modernster Instrumente zu schaffen ist aber nur ein Teil der Weltraum-Mission. Für viele Wissenschaftler ist wichtiger, daß alle Instrumente des Umweltsatelliten synchron zusammenarbeiten und parallel Daten aus den unterschiedlichen Bereichen liefern, etwa für Dr. Bryan Lawrence, dem Chef des Britischen Zentrums für Atmosphärenforschung an den Rutherford Appleton Laboratories.

Das beste Beispiel für Lawrence ist das Ozonproblem. Trotz Fortschritte bei der Ächtung der Fluorchlorkohlenwasserstoffe, kurz FCKWs, in den letzen Jahren wissen wir immer noch zu wenig über die Ozonschicht: "Die Leute sagen immer, das Ozonproblem sei doch gelöst, wir haben internationale Abkommen, und jetzt müsse man eben abwarten, bis das Zeug aus der Atmosphäre wieder verschwindet. Nur ist es nicht so einfach. Wir wissen fast nichts über die neuen Treibgase, die anstatt des FCKW eingesetzt werden. Sind sie wirklich so sicher - oder ist es wieder so wie mit dem FCKW früher: sechzig Jahre lang galt FCKW als sicher, so sicher, daß man es sogar trinken durfte. Nur wußte niemand, was es mit dem Ozon anstellt. Bei einigen Ersatzstoffen wissen wir bereits, daß wir ihre Zusammensetzung nicht genügend kennen. Mit Envisat werden wir die Instrumente haben, um die chemische Zusammensetzung genauer messen zu können als bislang möglich. Gerade dieses Zusammenspiel aller Messungen wird bedeutend sein. Es ist diese Synergie, die Envisat so einmalig macht."

Das Europäische Umweltauge wird solche wissenschaftlichen Fragen beantworten. Was aber unterscheidet Envisat von dem Dutzend anderer Erdbeobachtungssatelliten, die ebenfalls im Weltraum ihre Bahnen ziehen? Es sind - einmal mehr - die Daten. Die Qualität, die Menge und die Auswertung der Envisat-Daten sind für einen Satelliten bahnbrechend.

Envisat Instruments
Envisat Instruments

Zehn Instrumente werden pausenlos Daten produzieren. Jeden Tag und jede Nacht wird eine Datenflut zur Erde niedergehen, mit der man die Festplatten von Hunderten von Heim-PCs auffüllen könnte. Hunderte von Empfangsstationen sind daran beteiligt, aber zusammengesetzt wird alles in ESRIN bei Rom.

Olivier Arino entwickelt hier Werkzeuge für die öffentliche Hand. Er findet den Satelliten einmalig, nur Envisat kann das Bündel von Daten bieten, die Institute zur Überwachung des Kyoto Abkommens und anderer Umweltverträge brauchen - und das fast in Echtzeit." Aber Größe ist nicht alles. Mark Doherty kennt Fälle, in denen es auf's Detail ankommt. "Der Höhenmesser auf Envisat kann die Meereshöhen auf Zentimeter genau vermessen. Wenn man wissen will, wo der Meeresspiegel ansteigt, dann ist diese Genauigkeit wesentlich. Dabei produziert dieses Instrument nur ganz kleine Datenmengen, aber ihr Wert übersteigt die Menge bei weitem. Datenmengen sind schon wichtig, aber es ist noch viel wichtiger zu wissen, was dahinter steckt und was man mit ihnen erreichen möchte."

Daten sind für Wissenschaftler nur dann brauchbar, wenn sie zuverlässig sind. In der Vergangenheit traf dies nicht immer zu - Weltraumdaten waren den Messungen auf der Erde nicht immer ebenbürtig. Deshalb hat die Europäische Weltraumagentur besonderen Wert auf die Eichung der Instrumente gesetzt.

"Wir stimmen alle Prozesse mit dem internationalen Kommittee für Erdbeobachtung ab", sagt Yves-Louis Desnos, der die Schnittstelle zu den wissenschaftlichen Anwendern in ESRIN sein wird. "Wir sorgen für allgemein gebräuchliche Datensätze in den verschiedenen Erdbeobachtungsmissionen der ESA, NASA und anderen. Wir haben zum Beispiel vor Miami alle Instrumente auf ein Schiff geladen und auf die dortige Meereswassertemperatur eingemessen. Damit können wir sicherstellen, daß alle Messungen von Envisat und den amerikanischen Satelliten die gleichen Grundeinstellungen haben und untereinander vergleichbar sind. Jetzt können wir über ein Jahrzehnt lang die Temperaturveränderung mit einer Genauigkeit von einem Drittel Grad Celsius messen. Das gibt uns die Sicherheit, die wir für die globalen Klimatrends brauchen."

Diese Eichungsprozedur beschäftigt etliche Europäische Wissenschaftler. Dr. Ian Robinson vom Ozeanografischen Institut im Britischen Southhampton ist für die Genauigkeit des MERIS-Instruments verantwortlich. Dieses Spektrometer erstellt Bilder der Meeresoberfläche und von Wolken und kann die ‚Farbe' des Meeres in zehn unterschiedliche Wellenlängen aufspalten. "Damit sehen wir all das, was wir mit unseren Augen nicht sehen könnten", so Robinson. Seine Hauptarbeit beginnt nach dem Start, wenn die Instrumente des Umweltsatelliten im Flug kalibriert werden, etwa mit Vergleichsmessungen von Bojen und Schiffen.

Envisat in vertical position
Envisat in vertical position

Nach seiner Einschätzung ist das Datenmanagement gut vorangekommen. "Die ESA ist besser gerüstet als je zuvor, die Algorithmen sind fertig, sie müssen nur noch mit echten Daten gefüttert werden - etwa Chlorophyllmessungen, auf die wir schon sehnsüchtig warten, weil sie uns viel über die CO2-Aufnahme im Meer verraten werden. Man hat zahlreiche Testläufe gefahren, und alles ist bereit."

Bryan Lawrence stimmt dem zu: "Die ESA hat viel in die Envisat-Datenqualität investiert, da laufen große Programme mit hoher Priorität. Das war eine gute Entscheidung, die Wissenschaftler werden viel mehr Vertrauen in die Daten haben."

Entscheidend sind die Geschwindigkeit und schnelle Verfügbarkeit der Daten. "Früher mußte man sich nach einem Überflug des Satelliten 35 Tage gedulden, bis die Daten da waren," so Yves-Louis Desnos. "Mehrere Messungen gleichzeitig brauchten noch länger. Mit Envisat können wir jetzt die exakte Temperatur der Meere, die Wellenhöhen und den Waldbestand an Land beobachten - alles gleichzeitig und quasi zeitgleich."

Bei der Aussicht auf eine solche Datenbasis haben sich mehr als 700 Europäische und viele Tausende Wissenschaftler weltweit beworben, mit den Envisat-Daten zu arbeiten. Eine solche Zahl wissensdurstiger Forscher zu bedienen und die Datenflut in die Labors zu spülen, war eine besondere Herausforderung.

ESA's new SpaceGRID project starts in September 2001
ESA's new SpaceGRID project starts in September 2001 and is scheduled for completion in 18 months

Bryan Lawrence setzt bei der Datenverteilung auf eine Technologie ähnlich dem Internet. Er glaubt, daß der Informationsfluß über ein sogenanntes ‚Grid' große Vorteile hätte. Das ‚Grid' ist eine schnelle Form des Internet, das die Prozessorleistung aller angeschlossenen Computer zusammenschaltet, um jeden einzelnen Rechenvorgang zu beschleunigen. "Im Grunde nutzen die Forscher die vorhandenen Mittel des Computerzeitalters, um ihre Datenströme zu lenken, anstatt für viele Millionen Euro eine eigene Infrastruktur zu installieren," sagt Lawrence. "Die Bandbreite ist entscheidend, heute noch im Internet, morgen im Grid, und die Tatsache, daß es weit verbreitet ist."

Jean Paul Malingreau, Berater an der Gemeinsamen Forschungsabteilung der Europäischen Kommission, gibt der EU regelmäßig Ratschläge zu wissenschaftlichen und technikrelevanten Fragen. Auch er beklagt den schleppenden Wissenstransfer aus den Labors in die politischen Entscheidungsprozesse. "Die Themen sind sehr komplex, und Wissenschaftler sollten die Kernpunkte vermitteln. Oftmals sind die Ursachen nicht klar erkennbar, besonders beim Thema Klimawandel. Wir wissen nur, daß es mehr Erkenntnisse gibt als zu uns vordringen. Was man aus Satellitenmissionen gewinnt, wird nicht optimal genutzt."

Seiner Meinung nach sind sich Politiker im Klaren darüber, daß man bessere Daten braucht, insbesondere, wenn in den kommenden Jahren die Verhandlungen über den weltweiten Umweltschutz verstärkt werden und die bereits getroffenen Vereinbarungen nachgeprüft werden müssen. "Sicher wollen wir die Wissenschaft stärker einbinden, und die Politik wünscht sich mehr handfeste Ergebnisse und Vorlagen, wenn verhandelt und beschlossen wird."

ESRIN, Frascati, Italy
ESRIN UET (User Earth Terminal) Antenna, Frascati, Rome, Italy

Der Europäische Umweltsatellit wird von der EU Kommission mit offenen Armen empfangen werden, sagt Malingreau. "Envisat ist ein hervorragendes Instrument, er ist so umfassend und wird uns eine Fülle von Daten liefern, um den weltweiten Klimawandel zu begreifen. Er wird sicher einen großen Einfluß auf die Forschung haben und auf unser Verständnis der Abläufe im Klimawandel. Dann allerdings muß man all das den Politikern erklären, aber das wird sich ergeben. Mit einer guten Datenbasis kann eigentlich nur ein gutes Ergebnis herauskommen."

Nach Ansicht vieler Wissenschaftlern wird Envisat ein neues Zeitalter einläuten und den politischen Prozess beschleunigen. Bryan Lawrence freut sich, daß Envisat auf die Bedürfnisse der Benutzer abgestimmt ist." Oliver Arino ist schon im Gespräch mit EU Politikern und Entscheidern, insbesondere im Umweltdirektorat der Kommission: "Wir wollen herausfinden, was sie wirklich brauchen". Beispiel europaweiter Gewässerschutz: "Envisat kann regionale Messungen für ganz Europa erstellen. Regionale Daten können zwar auch staatliche Einrichtungen liefern, doch man braucht etwas, das Vergleiche über die ganze Union hinweg zuläßt. Das kann nur Envisat".

Jeder Einzelstaat will die Daten des Umweltsatelliten nutzen, um die Vereinbarungen des Kyoto Protokolls zu überwachen. Sogar lokale öffentliche Einrichtungen sind auf die Talente des Umweltsatelliten aufmerksam geworden. Eine italienische Zivilschutzbehörde etwa fragte an, "ob man mit Envisat Karten von verbrannten Waldabschnitten erstellen könnte - das ist hier in Italien eine gesetzlich vorgeschrieben Aufgabe. Diese Leute stehen schon mit Geld in der Hand bereit, wenn wir ihnen diese Informationen liefern können."

SCIAMACHY will detect many different trace gases
SCIAMACHY detects many different trace gases

Der Start der Envisat-Mission kommt zu einem denkbar günstigen Zeitpunkt. Politiker und Wissenschaftler wissen um die neuen Möglichkeiten, und sie sind schon ganz hungrig nach den Daten. Jos Delbeke warnt allerdings, daß die Wissenschaftler eine große Hürde überwinden müssten, wenn sie etwas erreichen wollen: "In der Wissenschaft ist man es gewohnt, mit statistischen Unsicherheiten umzugehen. Man sollte aber den Mut haben, dann und wann einen Schlußstrich zu ziehen und die Lehrmeinung der wissenschaftlichen Mehrheit zu formulieren, um den Politikern klar zu bedeuten, wo wir gerade stehen. Wenn wir auf die allerletzte sichere Antwort warten, auf die 100prozentige Übereinstimmung, dann, glaube ich, warten wir auf Godot. Solange der Eindruck bleibt, alles sei unsicher, werden Politiker nicht wissen, wo und was sie zu entscheiden haben. Gerade deshalb würden bessere Daten dem politischen Prozess enorm gut tun."

Bryan Lawrence sieht gerade darin die große Stärke von Envisat. "Die Leute werden nur vorgeben müssen, was sie haben wollen, nicht auf welche Weise sie es erreichen wollen. Sie müssen nur die richtigen Fragen stellen. Natürlich werde ich einem Politiker nie eine klare Ja-Nein Antwort geben können, aber dank der Fülle und Qualität der Envisat-Daten, werde ich viel mehr Vertrauen haben, wenn ich etwas empfehle."

Für Ian Robinson haben die Envisat-Daten gar eine ethische Dimension: "Es ist Zahltag. Wissenschaftler wurden über Jahre hinweg gefördert, um etwa die Prozesse in den Weltmeeren zu verstehen. Nun, da wir die Oberflächentemperatur oder die Meeresfarbe und andere Parameter messen können, ist es an der Zeit, daß die Gesellschaft davon profitiert. Envisat wird uns helfen wenn es um solche Themen geht wie die Algenblüte, oder um das Erkennen hoher Wellen oder von Ölteppichen. In diesen Echtzeit-Szenarien wird Envisat einen echten Vorteil herausholen."

Auch wenn Wissenschaftler und Politiker nicht alle Umweltprobleme sofort lösen können, so hat Envisat doch einen überwältigenden Vorteil: "Es geht um Langzeitdaten", sagt Robinson, "wir sind es der Welt schuldig, die Statistiken zu ergänzen. In vielen Fällen haben wir gerade erst begonnen und müssen sie für die nächste Generation fortsetzen. Vielleicht hinterlassen wir unseren Kindern eine kaputte Umwelt, aber immerhin tun wir auch etwas, sammeln und suchen wir genaue Daten, mit denen wir an Lösungen arbeiten können. Es ist unsere moralische Pflicht, diese Informationen zu gewinnen und sie weiter zu reichen."

Notiz an die Redakteure: Alle Bilder in Zusammenhang mit dem Thema sind unter http://www.esa.int. zu finden. Dieser Bericht ist Teil einer Serie von Artikeln über das Envisat Programm und dessen Anwendungen.

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