Die Forschungsfracht von CryoSat-2

SIRAL 2, das Hauptinstrument von CryoSat-2

Das wichtigste Instrument ist das Radar SIRAL. Hierzu gehören zwei Antennen, die ähnlich wie Menschen mit ihren zwei Augen „räumlich“ sehen können. Mit diesem System werden die Eisoberflächen präzise abgetastet und die Höhenunterschiede mit einer Genauigkeit von ein bis drei Zentimetern ermittelt. Aus 720 Kilometern Weltraumhöhe ist das Weltspitze.

SIRAL: Radarstrahlen messen Eisdicke

Wichtigstes Instrument an Bord von CryoSat ist der Radarhöhenmesser SIRAL (Synthetic Aperture Interferometric Radar Altimeter) zur räumlichen Vermessung der Erdoberfläche. SIRAL ist mit zwei Radarantennen ausgestattet. Mit der einen Antenne werden kurze Radarimpulse zur Erdoberfläche gesandt. Die Botschaft von der Erde – in Form reflektierter Strahlung – wird von beiden Antennen empfangen. In der Fachsprache heißt das Verfahren Radar-Interferometrie. Aus den Daten können die Fachleute nun in Verbindung mit den exakten Bahndaten von CryoSat Höhenprofile von Eisschichten und der Meeresoberfläche berechnen.

SIRAL funktioniert unabhängig von der Wetterlage und den Lichtverhältnissen, so dass es bei jeder Tages- und Nachtzeit sowie bei bewölktem Himmel arbeiten kann. Es ist deshalb besonders zur Untersuchung großer polarer Eisschichten sowie -berge geeignet. Diese können bis zu 4300 Meter Höhe über dem Meeresspiegel erreichen und sind oft von Wolken umgeben.

SIRAL ermittelt die Dicke des Meereises sowie die Höhe der Landeismassen mit einer Genauigkeit von 1 bis 3 Zentimetern. Auf diese Weise können auch sehr inhomogene Eisoberflächen genauestens erfasst werden. Mit Hilfe der Radar-Interferometrie lässt sich beispielsweise auch die Fließgeschwindigkeit des Eises exakt ermitteln. Dabei werden zwei Radarbilder zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen und anschließend elektronisch überlagert. Als Ergebnis erhält man dann die Fließgeschwindigkeit des Eises.

Die Technik gestattet auch den Abbruch von Eisbergen besser zu verfolgen. Große Teile der antarktischen Küste sind von Schelfeis begrenzt, in denen es zum Abbruch riesiger Eisberge kommt. Auf das so genannte Kalben des Eisbergs folgt eine mehrjährige Vorstoßphase des Schelfeises. Dieser zyklische Prozess hat großen Einfluss auf die Massenbilanz der Antarktis und die Hydrologie der angrenzenden Ozeane.

Doppelt hält besser

Die Antennen des SIRAL-Radars

-SIRAL ist entsprechend der komplexen Aufgaben so konzipiert, dass für die unterschiedlichen Anwendungsgebiete insgesamt drei verschiedene Operationsmodi möglich sind:

  • Betrieb über Landeis (der von der Schnee- und Eisdecke zum Sensor reflektierte Anteil von Radarwellen enthält Informationen über die Eigenschaften des Schnees)
  • Betrieb über Meereis (bessere Unterscheidung von Eis und Wasser)
  • Betrieb an den Rändern der Eisschilde (genauere Bestimmung der Neigung der Eisoberfläche und ihrer Höhe)

Die SIRAL-Daten werden also vor allem Erkenntnisse über die Dynamik der sich verändernden Eisschichten in den Polgebieten der Erde liefern.

CryoSat-2 ist im Vergleich zu seinem gescheiterten Vorgänger wesentlich komfortabler ausgestattet. Die Ingenieure haben dem Radarsystem eine komplette Backup-Elektronik geben können. Bei CryoSat-1 wurde diese Maßnahme noch aus Kostengründen gestrichen. Ein raffiniertes Wellenleiter-Schaltsystem sichert den Zugriff sowohl des Haupt- als auch des Backup-Systems auf beide Antennen, die außerdem wahlweise auf aktiven (Sende-) oder passiven (Empfangs-) Betrieb geschaltet werden können. Das sichert den Wissenschaftlern eine hohe Flexibilität bei der Planung und Ausführung ihrer Messungen.

Mit DORIS hochpräzise Bahndaten

DORIS omnidirectional antenna
Empfangsantenne des DORIS-Instruments

Voraussetzung für derartige Präzisionsmessungen ist aber die exakte Kenntnis der Satelliten-Orbithöhe über der Erdoberfläche. Hierzu befinden sich an Bord von CryoSat zwei Instrumente, die dazu dienen, die Position des Satelliten zentimetergenau zu bestimmen: ein Radiosignalempfänger des französischen Satellitengeodäsiesystems DORIS (Doppler Orbit and Radio Positioning Integration by Satellite) sowie ein Laser-Retroreflektor.
Der an der Außenseite von CryoSat angebrachte Laser-Retroreflektor funktioniert wie ein Katzenauge am Straßenrand: Er reflektiert die von Bodenstationen zum Satelliten gesendeten Laserpulse. Die jeweilige Bodenstation empfängt die Antwort und ermittelt aus der Laufzeit des Signals die Flughöhe von CryoSat.

Das andere Messgerät, DORIS, ist bereits bei Envisat und dem Meeresforschungssatelliten Jason für die gleiche Aufgabenstellung höchst erfolgreich im Einsatz. Bei CryoSat kommt mit DORIS-DGXX ein verbesserter Empfänger für die Radiosignale zum Einsatz, der weniger Platz an Bord beansprucht. DORIS arbeitet gewissermaßen als umgekehrtes Navigationssatellitensystem, das ja für irdische Positionsbestimmungen gebaut wurde. Im Fall von DORIS funkt ein weltweit verteiltes Netz von etwa 50 speziellen Sendern (Beacons) automatisch Signale auf zwei verschiedenen Frequenzen zum Empfänger an Bord des Satelliten. Dort wird die Dopplerfrequenzverschiebung der Signale ermittelt und mit einem hochgenauen „Zeitstempel“ versehen zur Auswertung an eine Bodenstation übertragen.

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