Messtechnik: Technologischer Quantensprung

Die Antennen von MIRAS öffnen sich

Beide Parameter – Bodenfeuchte und Salzgehalt – konnten aufgrund ihrer zeitlich und räumlich hohen Variabilität aus dem Weltraum bislang nie global erfasst werden. Mit der erstmalig bei SMOS eingesetzten neuen Technologie soll sich das ändern.

Ausgangspunkt war die Erkenntnis, dass zwischen der Bodenfeuchte und dem Salzgehalt der Ozeane einerseits sowie den von der Erde im Mikrowellenbereich um 1,4 GHz abgestrahlten elektromagnetischen Wellen eine direkte Beziehung besteht. Nun galt es diese Entdeckung in einer neuartigen Messapparatur umzusetzen. Schnell war klar, dass für diesen Frequenzbereich eine abbildende Mikrowellenantenne mit einer entsprechend hohen räumlichen Auflösung weit über 15 Meter Durchmesser haben würde.
Für eine kostengünstige Earth-Explorer-Mission war dies inakzeptabel. Um dennoch die Erdoberfläche detailgenau beobachten zu können, griffen die trickreichen Raumfahrtingenieure von EADS-CASA Espacio auf eine synthetische Apertur zurück, also eine Art „virtuelle Antenne", die durch das Zusammenspiel von vielen kleinen Antennenempfängern erzeugt wird.

Das Ergebnis ist das Mikrowellenradiometer MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis). Es besteht aus einer zentralen Struktur mit drei ausklappbaren Antennenarmen von jeweils vier Meter Länge, die ypsilonartig angeordnet sind. Darüber befinden sich zwei jeweils vier Meter lange Sonnenkollektoren.
Auf den drei Antennenarmen sowie auf der zur Erde gerichteten Außenfläche der Zentralstruktur sind insgesamt 69 LICEF-Antennenempfänger untergebracht. Das Kürzel steht für Light Cost Effective Frontend. Jede der 69 Empfangseinheiten misst dabei die von der Erdoberfläche kommende Mikrowellenstrahlung im L-Band-Bereich von 1400 bis 1427 MHz.

Während sich SMOS auf seiner Umlaufbahn entlang bewegt, wird unter ihm ein im Durchmesser etwa 1000 Kilometer großes Gebiet unter verschiedenen Winkeln betrachtet. Dabei kann MIRAS in zwei Messmodi arbeiten, die die Messung horizontaler und vertikaler Mikrowellen-Komponenten erlauben. Genaugenommen wird der Phasenunterschied der einfallenden elektromagnetischen Wellen auf zwei oder mehr LICEF-Antennenempfängern gemessen, deren Abstand voneinander bekannt ist. Aus der Phasendifferenz kann man dann den Ursprung der Welle bestimmen und damit Informationen über das irdische Messobjekt gewinnen.
Das Verfahren wird auch satellitengestützte Interferometrie genannt. Für die Geowissenschaften stellen MIRAS und die bei ihm angewandte Messmethodik einen technologischen Quantensprung dar.

Die von der Erdoberfläche emittierte und von SMOS empfangene Strahlung ist aber nicht nur eine Funktion von Bodenfeuchte und Salzgehalt. Um sicher zu sein, dass die von SMOS gelieferten Daten richtig in Bodenfeuchte- und Salzgehaltseinheiten umgewandelt werden, müssen noch etliche Effekte, die das Signal beeinflussen, sorgfältig berücksichtigt und eliminiert werden. Daher ist auch die aufwändige sechsmonatige Commissioning-Phase notwendig (siehe Beitrag: „SMOS: Europas neuester Umweltsatellit“).

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