• Was ist Radiookkultation?
  • Wie können wir Radiookkultation verwenden um die Erdatmosphäre zu erforschen?

 

 

Okkultation bezeichnet allgemein ein Ereignis, bei dem ein Himmelskörper zwischen einem Beobachter und einem weiteren Himmelskörper vorbeizieht. Bei einer Sonnenfinsternis bewegt sich beispielsweise der Mond zwischen Erde und Sonne, von der Erde aus gesehen wird also die Sonne vom Mond bedeckt. Besonders interessant sind Okkultationen, wenn der Himmelskörper der sich zwischen den Beobachter (in diesem Beispiel Erde) und das beobachtete Objekt (Sonne) bewegt eine Atmosphäre besitzt. Dann kann man nämlich durch die Lichtbrechung in der Atmosphäre Rückschlüsse über deren Eigenschaften ziehen.

 

Mond wird von der Erdatmosphäre verdeckt, gut zu erkennen sind die Farbveränderung und Verzerrung durch Lichtbrechung in der Atmosphäre Bildquelle: NASA

 

Die Radiookkultationsmethode (RO) nutzt genau dieses Prinzip um damit die Erdatmosphäre zu erforschen. Dabei geht man wie folgt vor:

Man braucht zwei Satelliten die in unterschiedlichen Bahnen um die Erde kreisen. Der eine dient als Sender (Transmitter) und der andere als Empfänger (Receiver). Als Signal verwendet man Radiowellen mit einer Wellenlänge von etwa 20cm. Stehen die beiden Satelliten so zueinander, dass das Signal durch das Vakuum des Weltalls geht um vom Sender zum Empfänger zu gelangen, tut es dies auf geradem, unverzerrten Weg. Stehen die beiden Satelliten jedoch so zueinander, dass das Signal in die Erdatmosphäre eindringt, wird es dabei gebrochen und erreicht den Empfänger nur mehr indirekt auf einem leicht gebeugten Weg. Dabei hängt die Stärke der Beugung von der Dichte der Luftschichten ab, die das Signal durchdringt. (Ähnlich wie Licht das beim Übergang von Luft in Wasser gebrochen wird.)

 

Radio OccultationFunktionsprinzip der Radiookkultationsmethode

 

Die Messung erfolgt zeitabhängig. Das bedeutet man misst den verlängerten Phasenweg des Signals während sich die relative Position der Satelliten verändert, und das Signal auf seinem Weg so durch unterschiedliche Luftschichten gelangt. Bei genauer Kenntnis der Position der beiden Satelliten zu jedem Zeitpunkt lassen sich die gewonnenen Daten der zeitabhängigen Signalbrechung in einen höhenabhängigen Brechungswinkel umrechnen. Dieser sagt aus um welchen Winkel das Signal in einer bestimmten Höhe der Atmosphäre abgelenkt wird. Aus dem Brechungswinkel lässt sich wiederum die sogenannte Refraktivität in Abhängigkeit der Höhe berechnen. Diese gibt an wie stark die elektromagnetischen Wellen des Radiosignals mit den Teilchen der Atmosphäre Wechselwirken. Sie hängt ganz wesentlich von der Teilchendichte und damit vom Luftdruck ab, der wiederum der barometrischen Höhenformel unterliegt. Mithilfe der Refraktivität kann man nun die sogenannten trockenen Parameter der Luft berechnen (Dichte, Druck und Temperatur). Trockene Parameter sind dort relevant wo der Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre vernachlässigbar klein ist (oberhalb der Troposphäre). Innerhalb der Troposphäre spielt der Wasserdampf eine große Rolle (dort findet unser tägliches Wettergeschehen statt). Deshalb muss man den Anteil des Wasserdampfs in die Berechnung der atmosphärischen Parameter miteinbeziehen. Wir erhalten dort die feuchten Parameter der Luft, d.h., wiederum Dichte, Druck und Temperatur. Zusätzlich können wir noch die Luftfeuchtigkeit bestimmen.

 

Rechenkette der atmosphärischen Variablen

 

Zusammengefasst misst man also indirekt die Refraktivität der Atmosphäre in einer bestimmten Höhe und kann aus ihr Dichte, Druck und Temperatur in dieser Höhe bestimmen! Die Radiookkultationsmethode hat mehrere Vorteile gegenüber anderen Verfahren

  • Die Messung ist wetterunabhängig
  • Die Satelliten liefern Messdaten global überall in der Erdatmosphäre zu jeder Tages und Nachtzeit
  • Die Messung hat bis zu einer Höhe von etwa 35 km eine hohe vertikale Auflösung und große Genauigkeit. Grundsätzlich gibt es die Daten aber bis zu einer Höhe von ~80 km (d.h. bis in die Mesosphäre). Allerdings wird die Qualität der Daten mit zunehmender Höhe geringer.

In der Praxis verwendet man als Empfänger Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn (~400 km, Low Earth Orbit (LEO) Satellit) und als Sender Satelliten von globalen Navigationssystemen wie beispielsweise das amerikanische GPS (Global Positioning System), diese befinden sich in einer höheren Umlaufbahn von etwa 20000 km. Bei den Messungen unterscheidet man dabei noch zwischen einer sogenannten „Rising Occultation“, also wenn der Sender aus Sicht des Empfängers über dem Horizont aufgeht, und einer „Setting Occultation“, wenn er hinter dem Horizont untergeht. Die erste Mission seitdem es einen kontinuierlichen Satz an Radiookkultationsdaten gibt war der deutsche Satellit CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload), der von 2001 bis 2008 Daten lieferte.

 

Der Satellit CHAMP Bild: DLR, CC-BY 3.0

 

Seit CHAMP wurden zahlreiche weitere Satellitenmissionen gestartet, die ebenfalls die Radiookkultationsmethode verwenden um die Erdatmosphäre zu vermessen und damit zu erforschen. So konnte CHAMP nur etwa 250 Okkultation pro Tag beobachten, die Mission FORMOSAT-3 mit insgesamt 6 Satelliten konnte bereits etwa 2500 Okkultationen pro Tag messen! Dies ist von besonderer Bedeutung für die Klimaforschung, als auch für Wettervorhersagen. Mit steigender Anzahl an beobachteten Okkultationen kann man ein immer besseres und genaueres Verständnis für die Vorgänge in der Erdatmosphäre von der Troposphäre bis in die Stratosphäre bekommen. Weiters wird mit jedem Tag die Zeitreihe seitdem es Messdaten gibt immer länger. Somit können Aussagen über Änderungen zum Beispiel der Temperatur mit der Zeit, in der Erdatmosphäre immer genauer vorgenommen werden.

 

Anzahl der täglichen Messungen mit verschiedenen Satellitenmissionen Bildquelle: Wegener Center für Klima und Globalen Wandel, Arbeitsgruppe Atmospheric Remote Sensing and Climate System (ARSCliSys)

 

Das obere Bild zeigt die Anzahl der Messungen verschiedener Satellitenmissionen pro Tag. Die Messungen beginnen im Jahr 2001 und zeigen aufgrund des Starts weiterer Satellitenmissionen einen großen Anstieg in der Anzahl der Messungen im Jahr 2006. Das untere Bild zeigt im Gegensatz dazu die Verteilung von RO-Messdaten pro Monat global auf der Erde für einen der sechs FORMOSAT-3 Satelliten. Offensichtlich ist die Dichte der Messungen in den mittleren Breitengraden am höchsten. Sowohl polare, als auch äquatoriale Satellitenmissionen sind deshalb in Planung, um auch dort mehr Messdaten zu erhalten.

 

ROstatistic v2Globale Verteilung der RO Messungen Bildquelle: Wegener Center für Klima und Globalen Wandel, Arbeitsgruppe Atmospheric Remote Sensing and Climate System (ARSCliSys)

 

Durch die RO-Messungen ergibt sich ein dreidimensionales Netz an Daten in der Atmosphäre. Diese können vielseitig verwendet werden. Zum Beispiel werden RO-Daten zur Verbesserung von Wettervorhersagen genutzt. Ganz wichtig ist auch die Anwendung der Daten in Zusammenhang mit Taifuns. Dabei verbessern RO-Daten sowohl die Vorhersage des Weges den der Taifun nehmen wird, als auch dessen Intensität kann genauer vorhergesagt werden. Diese wichtige Nutzung der RO-Daten ist auch ein Grund dafür warum Taiwan ein großes Interesse an RO Satellitenmissionen hat. Taifune spielen dort eine große Rolle, da diese die Insel mehrfach im Jahr heimsuchen. Weiters werden RO-Daten auch in der Klimaforschung verwendet. Dort bringen sie Aufschluss von Veränderungen des Klimas in der Atmosphäre von der Troposphäre bis in die Stratosphäre. Wusstet ihr zum Beispiel, dass die Temperatur in der Stratosphäre durch den Klimawandel abnimmt, und nicht zunimmt? Das heißt es gibt einen negativen Temperaturtrend in der Stratosphäre. Schlussendlich können mit RO-Messdaten auch atmosphärische Variabilitäten untersucht werden. Am Wegener Center wurden zum Beispiel die Auswirkungen von bekannten Naturereignisse wie El Niño, La Niña, oder auch Vulkanausbrüchen auf die Atmosphäre untersucht. Weiters wurde die Tropopause und die Stratopause mithilfe der Daten genauestens vermessen, oder großräumige Wasserdampftransporte in der Atmosphäre in Form von Atmospheric Rivers untersucht. (Der Name resultiert daher das der Wasserdampf in der Form von großen Flüssen in der Atmosphäre transportiert wird.) Letzteres werden wir als Anwendungsbeispiel in Artikel 6 näher kennen lernen.

 

 

 

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