Die NOAA Satelliten
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Eyes in the Sky Wetterbeobachtung und Atmosphärenforschung mit Satellitensensoren Dr. Stefan Bühler Institut für Umweltphysik SaMPhys Sa., 22.11.2003, 10 Uhr , Hörsaal 2 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 2 Mr. Spock, was sagen Ihre Sensoren? 80% Stickstoff, 20% Sauerstoff. Dazu Spuren von Wasserdampf, Kohlendioxid und Argon. Nur Science-Fiction? Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 3 Übersicht • • • • • • • Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 4 Übersicht • • • • • • • Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 5 Erwärmung Warum Atmosphärenforschung mit Satelliten? Wir brauchen Daten! Globale Veränderung Schadstoffe Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 Ozonschicht Wetter Vorhersage 6 Übersicht • • • • • • • Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 7 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 8 Meteosat Höhe? 36.000 km über dem Äquator Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 9 Geostationärer Orbit Kepler: Höhe: 36.000 km Umlaufzeit2 ~ Radius3 Umlaufzeit: 23h 56min Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 11 Geostationäre Satelliten Weit über 100, hauptsächlich für Fernsehen und Telekommunikation • • • • • Meteorologie: Meteosat (Europa) GOES (USA) GMS (Japan) INSAT (Indien) GOMS (Russland) Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 Vorteile/Nachteile? 12 Polare Orbits Höhe: ~800 km Umlaufzeit: 1h 40min Spezialfall Sonnensynchron: Satellit kommt jeden Tag zur gleichen Zeit vorbei. Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 13 Satelliten in polaren Orbits • Terra und Aqua (amerikanisch) – MODIS • Envisat (europäisch) – SCIAMACHY – MIPAS • NOAA 15, NOAA 16, NOAA 17 (amerikanisch) – AMSU – HIRS – AVHRR Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 14 Was fliegt denn da? • Webtip: http://science.nasa.gov/Realtime/ Welcher Satellit ist wo? Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 15 Übersicht • • • • • • • Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 16 Elektromagnetische Strahlung = elektromagnetische Wellen • Wir verwenden nur einen kleinen Teil zum Sehen Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 17 Das elektromagnetische Spektrum Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 18 Elektromagnetische Strahlung = elektromagnetische Wellen • Wir verwenden nur einen kleinen Teil zum Sehen • Zur Fernerkundung kann im Prinzip das ganze Spektrum verwendet werden Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 19 Wärme und Strahlung, zwei Energieformen • Strahlung = elektromagnetische Welle • Wärme = ungeordnete Bewegung der Moleküle Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 20 Wärme und Strahlung • Strahlung kann in Wärme umgewandelt werden • Vor einem Kamin oder Kachelofen kann man die Wärmestrahlung als Wärme spüren Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 21 Je wärmer desto heller • Umgekehrt kann Wärme auch in Strahlung umgewandelt werden • Jeder Gegenstand oder jedes Gas strahlt entsprechend seiner Temperatur Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 • Je heisser desto mehr Energie wird abgestrahlt (Strahlungsgesetz von Stefan und Boltzmann) 4 T P~ ? 22 Je wärmer desto blauer • Die Wellenlänge der Strahlung wird immer kürzer mit steigender Temperatur (Wiensches Verschiebungsgesetz) • Herdplatte wird rotglühend, Schweissgerät gibt bläuliches Licht Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 23 Die Planck Funktion Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 24 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 25 Infrarotbild, weiss-rot bedeutet heiss, grün-blau kühl. Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 26 Einfallende Sonnenstrahlung Temperatur der Erdoberfläche Abstrahlung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 27 Übersicht • • • • • • • Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 28 Die „Stockwerke“ der Atmosphäre Höhe, km Anteil der totalen Luftmasse, % 90 99,9999 50 Mesosphäre 99,9 Sauerstoff 10 0 + = Stratosphäre, Ozonschicht 70 Troposphäre, Wetterschicht 0 Erdoberfläche Grafik nach K. Künzi Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 29 Strahlungsbilanz der Erde Höhe, km 10 Gegenstrahlung (Treibhauseffekt) Troposphäre, Wetterschicht 0 Erdoberfläche Grafik nach K. Künzi Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 30 Nah-Infrarot bis UV Mikrowelle bis Infrarot Messmethoden (Nur bei Tag) (Tag und Nacht) Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 31 Infrarotspektrum der Atmosphäre, vom Satelliten gesehen Spektrallinien Planck Kurve H2O CO 2 O3 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 H2O 34 Warum gibt es Spektrallinien? • Luft besteht aus Molekülen (Stickstoff N2, Sauerstoff O2, Kohlendioxid CO2, Spurengase wie Ozon O3, ...) • Moleküle können nur bei ganz bestimmten Frequenzen Strahlung absorbieren Warum? Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 36 Quanten Rotation Elektronensprung Vibration • Nur „diskrete“ = bestimmte Zustände möglich • Energie der Strahlung muss genau passen Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 37 Jedes Molekül hat sein typisches Spektrum Wasserdampfspektrum Das Spektrum kann ziemlich kompliziert aussehen... Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 38 Der Mikrowellenbereich Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 39 Was kann man messen? • H2O --- Wasserdampf • O3 --- Ozon • + viele mehr • CO2 --- Kohlendioxyd • O2 --- Sauerstoff • Gleichmäßig verteilt } } Messung der Konzentration Messung der Temperatur • Wolken, Regen Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 40 Übersicht • • • • • • • Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 41 Die NOAA Satelliten Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 42 Instrumente Instrument Spektralbereich Auflösung AMSU Mikrowelle 15-50 km HIRS Infrarot 50 km AVHRR Sichtbar/Infrarot 1 km • Verschiedene Instrumente und Kanäle machen verschiedene Sachen sichtbar. • Nur manche Kanäle sehen den Boden. Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 43 AVHRR Infrarot Bild Wolken, heller = kälter = höher Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 44 A M S U 18 Kelvin Mikrowelle bei 183 GHz sieht nur Wasserdampf Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 Bild von Mashrab Kuvatov 46 trockene Subtropen Kelvin Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 feuchte Tropen 47 Wasserdampf • Wichtigstes Treibhausgas (10% mehr H2O = doppeltes CO2) • Wärmere Erde mehr Verdunstung mehr Wasserdampf? • Für Klimavorhersagen muss man wissen, was mit dem Wasserdampf passiert. Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 48 Übersicht • • • • • • • Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 51 Envisat ... in der Montagehalle bei ESA • MIPAS (infrarot) • SCIAMACHY (nahinfrarot bis UV) Bremen führend Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 52 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 53 Envisat Start • Am 1. März 2002 • Rakete: Ariane 5 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 54 Startparty in Bremen, 2:07 morgens Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 55 SCIAMACHY Messgeometrie Das Instrument kann auf drei verschiedene Arten messen. Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 56 Ozon von GOME (Vorgänger von SCIAMACHY) Nordpol Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 Südpol 57 Stickoxide • NO und NO2 • Quelle: Verbrennung fossiler Brennstoffe Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 58 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 59 Schwefeldioxid (SO2) kommt aus Vulkanen Bild von Andreas Richter Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 60 • MODIS Bild vom 28.10.2002 • Kanäle im sichtbaren Licht Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 61 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 62 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 63 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 64 MODIS 28.10.2002 100 km Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 Bild von: Liam Gumley http://terra.ssec.wisc.edu/~gumley/images.html 65 Übersicht • • • • • • • Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 66 Zusammenfassung (1) • Wir brauchen Satellitendaten über die Atmosphäre zur Wettervorhersage, und um die globalen Umweltprobleme zu verstehen. Montreal, Kyoto • Fernerkundung bedeutet Messung von Strahlung. • Alle Spektralbereiche von Mikrowelle bis Ultraviolett lassen sich nutzen. (Verschiedene Anwendungen brauchen verschiedene Spektralbereiche) Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 67 Zusammenfassung (2) • Meteorologische Sensoren (z.B. NOAA Satelliten, Meteosat) messen Wasserdampf, Temperatur, Wolken, und Niederschlag. • Spezielle Chemiesensoren (z.B. Envisat) messen wichtige Spurenstoffe (z.B. Ozon). Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 68 Mr. Spock, was sagen Sie dazu? Faszinierend. Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 69 Danke für´s Zuhören, ich bin gespannt auf die Fragen... Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 70 Bildnachweis http://www.geog.ucsb.edu/~joel/g110_w02/chapt02/energy_rad/energy_rad.html http://www.drspecht.de/images/auto1_ir.jpg http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Airbags/images/molecules .jpg http://www.forst-hamburg.de/images/Kaminfeuer.JPG http://www.ci.maryville.tn.us/fire/eyehot.gif http://www.lenzlinger.ch/bilder/bereiche/mb/ueberuns/schweissen.jpg http://www.cyberspaceorbit.com/aurora1106.jpg http://users.castel.nl/~brinb05/meteosat.jpg http://collections.ic.gc.ca/satellites/english/anatomy/orbit/ Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 71 Bildnachweis http://spaceflightnow.com/titan/g13/images/000822noaal.jpg http://ehf.uni-oldenburg.de/meteo/meteo_engl.html http://asd-www.larc.nasa.gov/asd_over/glossary/gifs/swath.gif http://www.insource.org/question.gif Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 72
