Zentrumskolloquium Oberpfaffenhofen 27. September Die Mission MOS-IRS. - 8 erfolgreiche Jahre für die Ozeanfernerkundung -

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1 Zentrumskolloquium Oberpfaffenhofen 27. September 2004 Die Mission MOS-IRS - 8 erfolgreiche Jahre für die Ozeanfernerkundung - Oder: Die Geschichte eines verwirklichten Traums Dr. Andreas Neumann Abteilung Gewässerfernerkundung

2 Anfang und Rückblick Ende der 1980er Entwicklung eines abbildenden Spektrometers MOS- PRIRODA für den Einsatz auf der MIR-Station im Rahmen des Interkosmos- Programms gleichzeitig lief eine gemeinsame Studie von DLR und ISRO für einen Ozean-Atmosphären-Forschungssatelliten (OASIS) vor diesem Hintergrund 1992 Anfrage von ISRO zur Beistellung eines Ocean-Colour-Instrumentes für gemeinsamen Experimentalsatelliten 1993 offizieller Beginn der Arbeiten am DLR zur Entwicklung von MOS-IRS Start von IRS-P3 am 21. März 1996, geplante Lebensdauer ca. 2 Jahre Beginn der Arbeit im Orbit am 23. März 1996 offizielle Beendigung der Mission zum 31. Mai Jahre, 2 Monate und 10 Tage aktive Missionsdauer!

3 DLR Anfang und Rückblick

4 DLR Anfang und Rückblick

5 Zielstellung der Mission Bestandteil des Kooperationsabkommens D-I im Bereich Raumfahrt gemeinsame Experimentalmission zur Demonstration neuer Technologien Experiment und Datenquelle zur Vorbereitung von MERIS auf ENVISAT (ESA) und OceanSat-1 (ISRO) zielgerichtetes Wissenschaftsprogramm: 4 Demonstration neuer Auswerteverfahren für Superspektraldaten für Landund Gewässeranwendungen aus dem Erdorbit 4 Demonstration der Nutzbarkeit der O 2 A-Bande zur Ableitung von Aerosol- Höheninformation und Wolkenparametern 4 Demonstration der Ableitung von atmosphärischem Wasserdampfgehalt 4 deutsches MERIS-Precursor-Programm wesentlich für DLR: Aufbau eines Netzwerkes von Bodenstationen und offene Datenpolitik für wissenschaftliche Nutzung

6 Warum ein abbildendes Spektrometer? Vermessung der Wasserfarbe Quantifizierung der Stoffe im Wasser: Chlorophyll als Maß für Phytoplankton suspendiertes anorganisches Material gelöste organische Substanzen als Grundlage zur Beurteilung der Wasserqualität und Rolle im CO 2 -Kreislauf Quelle: Süddeutsche Zeitung, Magazin Nr. 27, , Fotos: Peter Schanz

7 Grating Prinzip des abbildenden Spektrometers Imager Eingangsoptik (bei Scanner mit Scanspiegel) Eintrittsspalt Kollimator Polychromator (Gitter, Prisma) Abbildungsoptik Fokalebene (Zeilen- oder Flächendetektoren) λ... λ 1 n Focalplane - CCD-Arrays Beispiel: abbildendes Spektrometer Collim ator Field Stop Objective FOV IFOV

8 Abbildendes Spektrometer MOS - Optikblock 11 1 quartz plate 2 quarter wave plate 3 objective "Tevidon" 1,4/25 4 shutter 5 glass prism 6 filter glass FB mini lamp 8 entrance slit 0,041mm x mm 9 adjustment mirror 10 collimator "Pancolar" 1,8/80 11 grating 325 l/mm 12 imager "Pancolar" 2,8/ filter glass RG 5 14 focal plane assembly 15 peltier cooler

9 In-Orbit Kalibrierung Die radiometrische und spektrometrische Kalibrierung sind essentielle Voraussetzung für die Nutzung der Daten in quantitativen Auswerteverfahren: 4 Überwachung von Alterungsprozessen und Kontamination der optischen Baugruppen 4 Überwachung der Parameter der elektronischen Signalverarbeitung zwei Kalibrationsverfahren wurden bei MOS realisiert 4 interne Kontrolle mittels Lampen zur Prüfung von Empfindlichkeit und Dynamikbereich bei jeder Einschaltung (= 1 mal pro Orbit) 4 Absolutkalibration durch Messung der extraterrestrischen Sonnenstrahlung über eine Streuscheibe etwa 1 mal pro Monat, liefert ebenso die Normierung auf die Bestrahlungsquelle

10 In-Orbit Kalibrierung Entrance Optics Cal. Lamp Collimator Optics Grating Entrance Slit Cal. Lamp Imager λ1 Focal Plane λ4

11 In-Orbit Kalibrierung - Interne Kontrolle Kanal 6 Kanal 10 1,08 1,07 1,06 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00 M O S -IR S -B ; internal calibration; actual / reference data; averaged over all pixels of a channel; lam p1; level date B 10 B 2

12 In-Orbit Kalibrierung zur Sonne (I) Nadir Position objective Sun Calibration Position sun direction tube with baffles fixed housing rotating drum diffuser nadir direction Dark Position MOS-IRS Sonnenkalibriereinheit

13 In-Orbit Kalibrierung zur Sonne (II) Sonnenmessung während des Terminatorüberflugs am Nordpol

14 In-Orbit Kalibrierung zur Sonne (III) Illumination of the sun diffuser during terminator overfly (1) -variation of incident angle on the diffuser plate (2) -resulting irradiance and sensor response sun sun (1) (2) nadir sun nadir nadir nadir nadir S1 S2 S3 S4 S5 sun sun

15 In-Orbit Kalibrierung zur Sonne (IV) IRS-P3 MOS-B: Sun calibration, relative variations with time (mean of unsaturated pixels, sun incidence angle 40, distance sun-earth not taken into account), ref. to (day137) 1,20 1,18 1,16 channel ratio 1,14 B1 B2 1,12 B3 B4 1,10 B5 1,08 B6 B7 1,06 B8 1,04 B9 B10 1,02 B11 B12 1,00 B13 0,98 E0 Sun 0,96 0,94 0,92 0, Abb. 9

16 DLR MOS-IRS und IRS-P3

17 DLR Wie wird die Erdoberfläche aufgenommen?

18 Die Empfangsstationen für MOS-IRS DLR-DFD NASA-GSFC ESA-ESRIN ISRO-NRSA Zentralarchiv aller MOS-Daten am DFD

19 DLR Warum interessieren uns die Ozeane? SeaWiFS Data: NASA SIMBIOS Project

20 Warum interessieren uns die Ozeane? Mit 70% der Erdoberfläche sind die Ozeane das größte Ökosystem, hochdynamisch und von globaler Bedeutung Wichtiger Faktor für das Klima als Temperaturspeicher und über den Wasserkreislauf Kohlenstoffumsatz der Weltozeane etwa gleich groß wie der aller Regenwälder Entscheidende Bedeutung für den Menschen (Nahrungsmittel, Transport, Erholung, Rohstoffe, Energie,...)

21 MOS-IRS Ergebnisse - Beispiele Was sehen wir vom Erdorbit beim Blick auf das Wasser? 4 Streuung des Lichtes in der Atmosphäre (Luftmoleküle, Aerosole) 4 Variation der Wasserfarbe auf Grund von Absorption und Streuung des Lichtes durch das Wasser selbst und die Inhaltsstoffe: 4 Chlorophyll und andere Farbstoffe im Phytoplankton (Streuung und Absorption) 4 Suspendiertes anorganisches Material, Sediment (Streuung) 4 Gelöste organische Substanzen, Gelbstoff (Absorption) 4 Die Effekte wirken in unterschiedlichen Spektralbereichen ( Farben ) und lassen sich daher mit ensprechenden Auswerteverfahren separieren

22 MOS-IRS Beispiele - Straße von Gibraltar Trennung der Signalanteile aus der Atmosphäre und dem Wasserkörper MERIS Precursor-Produkt

23 MOS-IRS Beispiele - Schwarzmeer Trennung verschiedener Wasserinhaltsstoffe Colour Composite µg/l b S (550 nm) /m Chlorophyll -1 3

24 DLR MOS-IRS Beispiele - Deutsche Bucht höhere spektrale Auflösung verbessert Ergebnisse im Vergleich mit SeaWiFS

25 MOS-IRS Beispiele - Mobile Bay/Golf v. Mexico MOS-IRS SeaWiFS Stumpf S Chlorophyll - a (mg/m 3 ) Data processing by Naval Research Lab., Stennis Flight Centre Arnone ne backscattering ca (m -1 )

26 MOS-IRS Beispiele - Blaualgenblüte in der Ostsee Blaualgen in der Ostsee Farbkomposit SeaWiFS, 27. Juli 2001 Schwebstoff MOS, 26. Juli 2001 low high

27 Blaualgen in der Ostsee Aufnahmen von MOS (links) und MODIS (rechts) am 17. Juli 2002 abgeleitete Schwebstoff- Konzentation 0 b s (550)nm 5

28 MOS-IRS Beispiele - operationelles Chl-Produkt Ostssee MERIS Precursor-Produkt

29 MOS-IRS Beispiele - Schwebstofftransport Vergleich des Modells mit Schwebstoff abgeleitet aus MOS

30 Multitemporale Landnutzungsklassifikation für Deutschland MERIS Precursor-Produkt

31 MOS-IRS Beispiele - Saharastaub über den Kanaren Lanzarote Fuerteventura True Colour Composit MOS-C Aerosoloptical Thickness low high

32 MOS-IRS Beispiele - Aerosolparameter bei Waldbränden in Malaysia MOS-Swath SeaWifs Colour Composite low high large small Aerosol Particle size content

33 DLR MOS-IRS Beispiele - Aerosolparameter MERIS Precursor-Produkt

34 DLR Atmosphärischer Wasserdampfgehalt über Ostdeutschland

35 DLR MOS-IRS Beispiele - Wasserdampfgehalt MERIS Precursor-Produkt

36 DLR MOS-IRS Beispiele - Wolkenobergrenzen MERIS Precursor-Produkt

37 Die Mission und ihre Ergebnisse Technologische Demonstration: 4 Erstes abbildendes Spektrometer im Erdorbit 4 nach 10 Jahren Pause erstmals wieder Daten zum biologischen und ökologischen Zustand der Ozeane 4 Demonstration einer neuen Generation von Kleinsatellitenbus mit flexiblem Missionszenario (Erdbeobachtung und Röntgenastronomie, Pointing- Operationen des Satelliten) 4 Demonstration neuer Techniken der in-orbit Kalibration (intern, Sonne, Mond) 4 erfolgreicher Betrieb eines internationalen Netzwerkes von Bodenstationen (DLR-ISRO-ESA-NASA) 4 Langzeitrekord für ein deutsches Instrument im Erdorbit 4 MOS-IRS diente als in-orbit-referenz zur Interkalibration von 5 weiteren Ocean-Colour-Missionen 4 erstmals spektral hochauflösende Satellitendaten zur Entwicklung neuer Verfahren für optisch komplexe Gewässer

38 Die Mission und ihre Ergebnisse Erfolgreiches Konzept einer gezielten Mission für Küstengewässer mit angepaßtem Instrument und Auswertealgorithmen Demonstration neuer Auswerteverfahren für Superspektraldaten für Land- und Gewässeranwendungen aus dem Erdorbit Demonstration der Nutzbarkeit der O 2 A-Bande zur Ableitung von Aerosol-Höheninformation und Wolkenparametern Demonstration der Ableitung von atmosphärischem Wasserdampfgehalt Demonstration der Synergie mit SAR-Daten zur Modellentwicklung für Stofftransportprozesse >100 Nutzer in Europa, Indien und USA erweiterte Möglichkeiten des Vorbereitungsprogramms für MERIS in D und bei ESA wichtige Beiträge zum internationalen SIMBIOS-Programm der NASA

39 Die Mission und ihre Ergebnisse In Zahlen: 4 insgesamt rund Orbits 4 mehr als aktive Pässe über den Empfangsstationen 4 rund Szenen über Europa, Indien, Nordatlantik/Nordafrika sowie den westlichen USA/Kanada 4 rund 5000 Eichzyklen (intern) Sonnenmessungen 4 10 Mondmessungen 4 Insgesamt rund 3000 Gbyte Daten (entspricht ca. 500 Video-DVDs)

40 Die Mission und ihre Ergebnisse Die wissenschaftlich-methodischen Ergebnisse finden ihre Fortsetzung mit MERIS: C in µg/l 60.0 Monatsmittel Chlorophyll für die Ostsee Mai

41 Unter Verwendung von Beiträgen der Kollegen des MOS-Teams: OS: H. Schwarzer, K.-H. Sümnich MF: G. Zimmermann, H. Krawczyk, T. Walzel, B. Gerasch, B. Pflug, H. Witt, B. Piesik Sowie von: K. Günther, B. Fichtelmann, E. Borg, S. Meier (DFD) W. Rosenthal, J. Horstmann (GKSS) J. Fischer, R. Preusker (FU Berlin) R. Arnone (Stennis Space Flight Centre) Dank an die vielen Ingeneure und Techniker, die das Instrument MOS-IRS Wirklichkeit werden ließen und wichtige Freunde, durch deren Unterstützung es überhaupt möglich wurde. Hervorragenden Dank an die Kollegen der ISRO... Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit