Vorlesung Fernerkundung. AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer

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1 Vorlesung Fernerkundung AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer VIS IR 1

2 1.1 Definition der Fernerkundung Fernerkundungsverfahren liefern Informationen über örtlich entfernte Objekte im Gegensatz zu in situ Techniken Objekte: Erdoberfläche, Atmosphäre Materialbestimmung: Erdoberfläche (Land, Vegetation, Wasser, Eis) Atmosphärische Zusammensetzung (Spurengase, Wassertropfen, Aerosol) Informationen über Zustände: Temperatur Druck Phase 2

3 1.1 Mittel der Fernerkundung Erfassung und Interpretation der Wechselwirkung des Objektes mit natürlichen oder künstlichen Wellen indirekte Messung mögliche Wellen: akustische Wellen (materieller Kontakt mit Objekt notwendig) elektromagnetische Wellen (auch im Vakuum z.b. Weltraum möglich) Interpretation: empirisch-statistischer Vergleich zwischen Observablen und gewünschter Information Modellierung und Invertierung des Messprozesesses 3

4 1.3 Fernerkundungsprozess I,TB,.. ρ, T, p,... Wechselwirkungen - Emission -Absorption Messgerät - Streuung -Reflexion Observablen: -Intensität - Polarisation - Laufzeiten -... Algorithmus: - empirisch/ statistisch -Modellinversion Gesuchte Physikalische Eigenschaften 4

5 1.4 Informationsgehalt und Sensoren Fernerkundungsensoren werden von verschiedenen Plattformen eingesetzt, z.b. Satelliten, Flugzeugen, Ballonen, Boden Die meisten Fernerkundungsverfahren nutzen elektromagnetische Wellen Wichtige Wellenlängen zur Fernerkundung liegen in den sogenannten Fensterbereichen, d.h. dort wo die Atmosphäre besonders transparent ist. Fenster im Bereich der Sonnenstrahlung (optisches Fenster) und im Radiofenster der Fall 5

6 1.4 Informationsgehalt und Sensoren Sensoren Imager abbildende Spektrometer räuml. Verteilung Information abbildende Radiometer Spektrometer spektrale Verteilung Spektroradiometer Intensität Radiometer 6

7 a) Imager Landsat-MSS-Aufnahme im nahen Infrarot (0.5µm) (Imperial Valley, Ca): räumliche Struktur der reflektierten Strahlung lässt Unterscheidung zu von - Feldern - Ortschaften - Bergland - Flussläufe 7

8 0.5 µm NIR True color image 8

9 b) Spektrometer Messung von Absorbtionscharakteristika mit hoher Auflösung. Beispiel: Rotationslinie von H2O bei GHz wird mit Auflösung im MHz Bereich vermessen Aus der Druckverbreiterung lässt sich das Vertikalprofil ableiten 9

10 c) Radiometer Ozeanoberflächentemperatur in C aus Infrarotmessungen. Jeder Messwert wurde individuell in die gesuchte Größe umgesetzt. 10

11 d) Abbildendes Radiometer Infrarotkanal von METEOSAT - radiometrische Information: Oberflächentemperaturen - räumliche Strukturinformation Wolkenarten, Küsten Meteorologische Sensoren sind meist so konzipiert, dass alle drei vorgestellten Informationsarten genutzt werden können. Daher sind meteorologische 11 Sensorssysteme meist multispektral, abbildend und intensitätsorientiert.

12 Spektroradiometer L vis Bispektrale Methode zur Wolkenbestimmung: Mit zunehmendem Wassergehalt nimmt bei konstanter Wolkenhöhe erst die IR-optische stark zu (L ir wird schneller hell als L vis ). Erst bei hohen Wassergehalten steigt auch L vis. (hell) 2 km 5 km 10 km L ir L vis wolkenfrei optische Dicke (VIS) (dunkel) (dunkel = warm) L ir (hell = kalt) 12

13 1.5 Meteorologische Satelliten Der Orbit kontrolliert die vom Satelliten aus sichtbare Fläche; Dadurch wird auch die Ausrichtung und Projektion des Satellitenbildes bestimmt, d.h. ohne den Orbit zu kennen ist es nicht möglich die Position der Bildelemente (Pixel) auf der Erdoberfläche zu bestimmen. MISR 13

14 Satellitenorbits Satellitenbahnen (Orbits) um die Erde sind kreisförmig oder elliptisch. Es gelten die gleichen Prinzipien wie für die Bahn der Erde um die Sonne. Aufgrund der starken Reibung befinden sie sich meist mehr als 300 km oberhalb der Erdoberfläche. Je höher sich der Satellit befindet - desto schlechter ist die räumliche Auflösung der Messung. - desto grössere Flächen können beobachtet werden. LEO MEO GEO Low Earth Orbit Medium Earth Orbit Geostationary Earth Orbit in km in km in ca km Zwischen diesen Orbits befinden sich in ca und km Höhe Zonen ionisierter Strahlung (Van Allen Gürtel), die mehrere km weit sind. Es handelt sich dabei um elektrisch geladene Teilchen, die im Magnetfeld der Erde gefangen sind. Satelliten können durch die dort auftreffende Strahlung geschädigt werden. 14

15 Satellitenorbits Neben der Höhe ist die Inklination (I) ein entscheidener Parameter. Diese bezeichnet den Winkel zwischen der Äquatorebene und der Ebene der Satellitenbahn. Ein äquatorialer Orbit hat somit eine Inklination von 0 Grad und ein exakter polarer Orbit eine Inklination von 90 Grad. I = 0º I = 35º I > 60º und I < 90º I > 90º I = 180º äquatorialer Orbit mit gleicher Drehrichtung wie Erde Inklination von TRMM werden als polare Orbits bezeichnet retrograder Orbit äquatorialer Orbit mit entgegengesetzter Drehrichtung zur Erde 15

16 Satellitenorbits Neben der Höhe ist die Inklination (I) ein entscheidener Parameter. Diese bezeichnet den Winkel zwischen der Äquatorebene und der Ebene der Satellitenbahn. Ein äquatorialer Orbit hat somit eine Inklination von 0 Grad und ein exakter polarer Orbit eine Inklination von 90 Grad. I = 0º I = 35º I > 60º und I < 90º I > 90º äquatorialer Orbit mit gleicher Drehrichtung wie Erde Inklination von TRMM werden als polare Orbits bezeichnet retrograder Orbit Geo und tropischer Orbit 16

17 Kreisförmige Satellitenbahnen γmm Gravitationskraft: F g = Fliehkraft: F c = 2 m ω ~ = 2 r mv r 2 γ = Graviationskonstante = x Nm 2 /kg 2 Gleichsetzen der Kräfte liefert. Winkelgeschwindigkeit: ~ 2 ω = γm 3 r Bahn- oder Tangentialgeschwindigeit: v = γm r Sind nur von der Höhe abhängig, nicht von der Masse des Satelliten Umlaufperiode: T = 2π r = 2π 3 r γm 17

18 Kreisförmige Satellitenbahnen Spezielle kreisförmige Orbits 1. Geostationär Satellit erscheint stationär, wenn er dieselbe Periode hat wie die Erddrehung in Bezug auf die Sterne T = s (siderischer Tag) r = km. Erdradius am Äquator R E = 6378 km h = r - R E = km. T = 2π r = 2π 3 r γm 18

19 Kreisförmige Satellitenbahnen 2. Polar umfaufende Satelliten Niedrigere Höhen sind günstiger für gute Abdeckung, z.b. 600 km für ODIN r = = 6978 km v = 7558 m/s = 7.6 km/s γm v = ~ 2 γm ω = 3 T = 5801 s = 96.7 min r r je niedriger die Orbithöhe desto: kürzer die Periode geringer die Abdeckung der Oberfläche stärker das Signal besser die räumliche Auflösung größer die Reibung und kürzer die Lebenszeit 19

20 Elliptische Orbits Reale Orbits sind elliptisch Das Problem ist analog zur Drehung der Erde um die Sonne Es gelten die Keplerschen Gesetze 20

21 Keplersche Gesetze Die Planeten (Satelliten) bewegen sich auf Ellipsenbahnen, in deren einem Brennpunkt die Sonne (Erde) steht. Mit Apogäum wird der erdfernste Punkt und mit Perigäum der erdnächste Punkt einer Umlaufbahn um die Erde bezeichnet. Die Verbindungslinie von der Sonne (Erde) zu einem Planeten (Satelliten) überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen. Die dritten Potenzen der mittleren Abstände der Planeten (Satelliten) zur Sonne (Erde) sind proportional zu den Quadraten der Umlaufbahnen. Das bedeutet, daß sich Planeten umso langsamer bewegen, je weiter sie von der Sonne entfernt sind. Der Merkur z.b. benötigt ca. 58 Tage für eine Umkreisung der Sonne, beim Pluto sind es 248 Erdenjahre. 21

22 Koordinatensystem Bahnparameter a grosse Halbachse e Exzentrität r Distanz zum Erdmittelpunkt ω- Winkel zwischen aufsteigendem Knoten und dem Perigäum Ω- Rektaszension (right ascension) Winkel zwischen x-achse (Verbindungslinie Erde-Sonne bei Tag und Nachtgleiche und dem Schnittpunkt des aufsteigenden Astes der Bahn mit der Äquatorebene I - Inklination, der Winkel den der Orbit mit dem Äquator hat, bestimmt auch die höchste erreichbare Breite 22

23 Probleme beim Orbit Die meisten Orbits von Umweltsatelliten sind nahezu zirkulare Orbits. Störungenkönnenverursachtwerdendurch: Asphärische Graviationspotentiale (Die Erde ist keine Kugel) -> sehr wichtig: hierdurch kommt es zur Präzession. Gravitation anderer Körper (Sonne, Mond, etc.) Strahlungsdruck (Die Vikingsonde zum Mars hätte ohne Strahlungsdruckkorrektur den Mars um km verfehlt). Bombardierung mit galaktischen Partikeln (Sonnenwind) Luftreibung, besonders wichtig unterhalb von 850 km Atmosphärischer Auftrieb Elektromagnetische Kräfte Bis auf die erste werden hierdurch zufällige Störungen der Bahn verursacht, die durch die Beobachtung und durch Nachführung des Orbits korrigiert werden können. 23

24 Sonnen-synchroner, polarer Orbit Die Orbitstörung durch das nicht-sphärische Gravitationsfeld kann vorteilhaft genutzt werden in dem die Inklination und die Orbithöhe so gewählt werden, dass der Orbit so präzessiert wie sich die Erde um die Sonne dreht. Ein sonnensynchroner Orbit ist also ein Orbit, für den die Orbitebene immer gleich zur Sonne bleibt und der Satellit den Äquator jeden Tag zur selben lokalen Zeit überfliegt. Der Orbit ist nicht fest, sondern er muss sich mit 1 pro Tag bewegen, um die Erddrehung um die Sonne auszugleichen. für LT für z ~ 1000 km, i ~ 98 degrees (90 degrees = North Pole) 24

25 Überflugzeiten Local Time: LT UT + Ψ 15 wobei: UT= Weltzeit, universal time, GMT (Greenwich Meridian Time) Ψ = Länge (Grad) Äquatorüberflugszeit (equator crossing time): ΨN ECT = UT + 15 wobei: Ψ N = Länge des aufsteigenden oder absteigenden Überflugs Länge der Sonne: Ψ = 15 ( UT 12) mit Sonne Ψ = ΨN Ψ Sonne folgt: ECT = 12 + Ψ 15 Ψ = const. für sonnensynchrone Orbits, d.h. man kannn jedem Satelliten eine ETC zuordnen (Morgen-, Mittag-, Abendsatellit) 25

26 Eine kleine Weltreise 26

27 Überflugmuster 27

28 Reale Orbits Beispiel: TOPEX/POSEIDON (USA, Frankreich, 1992) Oberflächenhöhe (Änderungen z.b. durch Tide) mit 13 cm Genauigkeit; Weil die Sonne dies antreibt macht ein sonnensynchroner Orbit keinen Sinn. Man würde immer dasselbe messen; Ziel war ein equidistantes Gitter von Überflügen zu haben; Die Überflüge sollten sich mit einem Winkel von 45 schneiden, so dass man die Neigung der Oberfläche in Ost-West und Nord- Süd Richtung messen kann (polare und tropische Orbits kommen nicht in Frage); Hohe Breiten sollen auch betrachtet werden; Ergebnis: Orbit in 1334km Höhe, Inklination=66, das sorgt für 45 Schneidewinkel in 30 Breite 28

29 Molynia Orbit Ein langgestreckter Orbit mit einer Inklination von 63.4 Grad bei dem das Argument des Perigäum konstatnt ist. Das Apogäum bleibt immer bei der gleichen Breite. Dieser Orbittyp wird von Kommunikationssatelliten der früheren sowjetunion genutzt, da sie eine bessere Abdeckung der hohen Breiten gewährleisten. Der Satellit ist am entferntesten (Apogäum) und langsamsten über Russland und am erdnächsten und schnellsten über der Südhemisphäre. Typische Parameter sind: Grosse Halbachse Exzentrität Perigäum Apogäum Periode km km (Höhe = 1000 km) km (Höhe = km) Minuten = Stunden 29