Meer Land Luft - Die Erforschung der Weltmeere aus dem All

Envisat, dessen Start für Ende Februar vorgesehen ist, ist das bislang ehrgeizigste Programm der Europäischen Weltraumagentur ESA zur Erforschung der Meer-Land-Luft Beziehungen. Der acht Tonnen schwere Umweltsatellit wird eine neue Generation von Instrumenten an Bord haben, die Klimamodelle verbessern und den großen Zukunftsmarkt mit Erdbeobachtungsdaten vorbereiten sollen. Die Ära der Meeresforschung aus dem All begann mit einer kurzen Mission des amerikanischen Satelliten Seasat vor 23 Jahren. Es war der Durchbruch zur weltweiten Beobachtung der Weltmeere, und die Wissenschaftler verstanden die Welt der Ozeane plötzlich ein bißchen besser. Andere Missionen folgten, und seit den 90er Jahren strömen die Daten der Europäischen Satelliten ERS-1 und ERS-2, des französischen Topex und des amerikanischen Poseidon unaufhörlich in die Datenzentren der Weltraumagenturen.

Diese erste Generation von Erdbeobachtungssatelliten bekommt nun eine standesgemäße Ablösung: Envisat, der neue Umweltsatellit der Europäer soll erstmals nicht nur besten Rohstoff für die Wissenschaft liefern, sondern auch eine ganze Reihe von Dienstleistungen und Anwendungen für den Alltag voranbringen. Das ist ein Novum, denn die Vermarktung von Erdbeobachtungsdaten erfordert derzeit noch ähnlich viel Phantasie, wie vor 20 Jahren die Satellitenennavigation.

Envisat wurde vor fast 15 Jahren dafür entworfen, um einige erfolgreiche wissenschaftliche Programme für die Erforschung der Meere fortzusetzen und die langfristigen Veränderungen in den Ozeanen zu messen. So wird die Datenbasis der ERS und Topex-Missionen durch den neu entwickelten Radar Höhenmesser weitergeführt und verfeinert. Im Zusammenspiel mit dem französischen Kleinsatelliten Jason, der am 7. Dezember 2001 gestartet wurde, soll die sich ständig verändernde Höhe der Meeresspiegel aus zwei gegenläufigen Umlaufbahnen beobachtet und verglichen werden.

Envisat ist für diese Aufgabe bestens gerüstet. Aus einer niedriger Umlaufbahn von etwa 800 Kilometern und bei rund 14 Erdumkreisungen täglich liefert er sehr hoch aufgelöste Bilder , die man benötigt, um etwa Ozeanwirbel zu erkennen und den Verlauf von Unterwasserströmungen zu vermessen. Solche Angaben spielen sich im Zentimeterbereich ab, geben jedoch einmalige Hinweise darauf, wie sich große Meeresströmungen ausdehnen oder wohin sie ihre Richtung ändern. Über Wasser kann der Satellit Wellenfronten, ihre Höhe und Verteilung messen.

"Wir werden die Daten aus beiden Quellen zusammenführen, um das beste herauszuholen," sagt Philippe Gaspar, Chef der satellitengestützten Ozeanforschung bei CLS. Die französische Firma koordiniert die Auswertung der Radar-Höhendaten von Envisat und Jason. Seit 1998 hat man hier mit komplexen Algorithmen einige Erfahrung gesammelt.

Hydrosphäre, Atmosphäre, Ionosphäre

Auf diese Erfahrung werden vor allem Wissenschaftler zurückgreifen, die aus den Bergen von Informationen neue Ozeanmodelle formen wollen. Um den Klimawandel besser zu verstehen und in Teilen sogar vorauszusagen, bringt man die Datenreihen über die Ozeane mit Daten aus der Atmosphäre zusammen, also der uns umgebenden Luftschicht. "Inzwischen gelingt es uns, einige Großereignisse, wie etwa El Niño im Pazifischen Ozean vorherzusagen," so Gaspar, "doch Vorgänge im kleineren Maßstab, wie etwa die Meereshöhenschwankung im Nordatlantik, machen uns noch einige Probleme."

Wissenschaftliche Modelle sind nur so gut wie die Daten, mit denen sie gefüttert wurden, weiß auch Philippe Gaspar, und er fügt stolz hinzu: "Vor dem Satellitenzeitalter wären Vorhersagen dieser Größenordnung niemals denkbar gewesen".

Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, kommt ein weiteres High-Tech-Instrument an Bord von Envisat ins Spiel. Die Radar-Messungen werden laufend von DORIS, einem präzisen Doppler-Instrument korrigiert, der die Umlaufbahnen auf wenige Zentimeter genau vermißt und eventuelle Abweichungen herausrechnen kann. DORIS steht mit Fixpunkten auf der Erde in Kontakt und bestimmt alle 100 Minuten die Unwucht der Satellitenbahn - auf immerhin fünf Zentimeter genau, bei einer Umlaufbahn von rund 14.000 Kilometern Durchmesser.

Doch damit nicht genug. Eine weitere Quelle von Ungenauigkeit ist der atmosphärische Dunst in Form der uns bekannten Luftfeuchtigkeit. Wassermoleküle in der Luft brechen die Meßstrahlen des Radar-Höhenmessers, und je feuchter die Luft, desto mehr lenken sie sie ab.

Bei der hohen Präzision von Envisat würde das eine große Rolle spielen. Deshalb speist der Mikrowellen Radiometer seine Meßdaten über die Verteilung von Wassermolekülen ins System und berichtigt die Endwerte um manchmal bis zu 50 cm. Weitere 30 cm Fehler werden dadurch vermieden, daß der Höhenmesser in zwei Frequenzen gleichzeitig arbeitet und die ebenfalls ablenkende Strahlung der Ionosphäre ausgleichen kann.

All das muß ununterbochen funktionieren, und das tut es auch. Die Radarmessungen durchdringen Wolken und benötigen kein Tageslicht. Nur mit dauerhaften Meßreihen kann man vernünftige Vorhersagen machen, so Gaspar: "Wenn wir die Beobachtung unterbrechen müßten, wäre die Brauchbarkeit der wissenschaftlichen Arbeit ernsthaft in Gefahr. Und wenn die Daten später sogar vermarktet werden sollen, ist die Zuverlässigkeit ein absolutes Muß."

Management der Hochseeflotten

Neben Ozeanografie und Klimastudien soll der Envisat Radar Höhenmesser eine große Rolle spielen, wenn es um die Ordnung des Schiffsverkehrs auf hoher See geht. Aus dem Rückstrahlsignal lassen sich die Wellenhöhen auf hoher See mit einer Genauigkeit von 25 cm bestimmen. Die Daten des abbildenden ASAR Instruments an Bord von Envisat liefern dazu die Wellenrichtung. Diese beiden Werte werden zusammengeführt und helfen, großflächige Strömungen zu erkennen, ruhigere Gewässer zu orten und Schiffsrouten nach dem jeweiligen Wetter zu optimieren. Schnellere Durchfahrten und weniger Treibstoffverbrauch sind wichtige Faktoren im internationalen Seehandel.

Mehr noch, das ASAR kann Treibeis auf See sichten und die Packeisgrenzen vermessen. Ein Envisat-Projekt beschäftigt sich gar mit der Vorhersage von sogenannten Monsterwellen - Wände aus Wasser von über 15 Metern Höhe, die schon manchen Hochseefrachter in plötzliche Bedrängnis brachte.

Das Leben in den Meeren interessiert aber nicht nur Fischer und Kapitäne. Klimaforscher wollen mit Envisat mehr über die Hydrosphäre erfahren, in der sie wichtige Antworten auf Klimawandel, Erderwärmung und Treibhauseffekt vermuten. Der Spektrometer MERIS an Bord von Envisat zerlegt das von den Ozeanen widergespiegelte Licht in 15 verschiedene Spektralbänder und filtert daraus die "Farbe" der Meere. Diese Farbe entsteht durch die unterschiedliche Konzentration an Phytoplankton, mikroskopisch kleiner Lebewesen, denen jedoch in der weltweit verfügbaren Masse der Abbau von 50% der Kohlenstoffdioxid-Gase nachgesagt wird.

Ein anderes Instrument, AATSR, tastet die Meeresspiegel im Infrarot-Bereich ab und kann die Oberflächentemperatur der Meere auf ein halbes Grad genau bestimmen. Diese Angaben werden erneut zusammengebracht und können langfristige, immer aktuelle Angaben über Planktonwuchs, Fischbestände und Meeresverschmutzung machen.

Bei so vielen Aufgaben kommt eine Datenfülle zusammen, die täglich die Festplatten von 500 Heim-PC füllen könnte. Envisat speichert die gewonnenen Informationen zunächst auf einem Bandrekorder, um sie nach jeder Erdumkreisung alle 100 Minuten an die Bodenstationen in Schweden oder Norwegen weiterzugeben. Zwei 100 Mbit/s-Leitungen sind dazu notwendig, weil der Überflug einer Station nur wenige Minuten dauert. Dann ist Envisat schon über alle Berge.

Diese wissenschaftlichen Daten - zunächst einmal Milliarden von Zahlen und Meßreihen - stehen allen Forschern weltweit zur Verfügung. Sie werden in nationalen Archiven in Europa aufbereitet und über Hochgeschwindigkeitsnetze verteilt. Damit ist sichergestellt, daß alle Benutzer gleichen Zugriff auf dieselbe Datenbasis haben. Rivalitäten werden ausgeschlossen, ein Datenserver wird sogar ans Internet angeschlossen sein.

Zwei Unternehmen wurde die Aufgabe übertragen, sich um die technische Aufbereitung und die Kommerzialisierung der Daten zu kümmern. Sarcom, eine Tochter des französischen Vermarkters von Bildern des Satelliten Spot und Emma, und ein Ableger von Eurimage sollen ausloten, in welchen Bereichen Daten von Envisat gewerblich genutzt und verkauft werden können. Dies könnte ein interessantes Feld werden, ähnlich dem Milliardenmarkt der Satellitennavigation, der vor zehn Jahren noch nicht einmal existierte.

Schon bald wird man fast in Echtzeit beobachten können, wie sich natürliche Prozesse auf unserem Planeten abspielen, von denen wir bislang kaum etwas wußten. Daraus werden neue Erkenntnisse für die Wissenschaft, die in konkrete Umweltschutzmaßnahmen münden können. Daraus werden allgemeinverständliche Erkenntnisse wie Sturmwarnungen oder Hinweise auf giftige Algenteppiche an Badestränden. Schließlich setzt Envisat den Startschuß in eine Zukunftstechnologie, die ungeahnte Möglichkeiten für Fischereiflotten, für die Hochseeschifffahrt, für Logistikunternehmen bietet, die Suche nach Rohstoffen verfeinert und die täglichen Wettervorhersagen noch genauer macht.