Envisat, der Umwelt-Satellit

 


Das Innenleben von Envisat mit den im Text beschriebenen Instrumenten. Die riesigen, 25 Meter langen  Sonnensegel sind nicht zu sehen, bei der schräg gelegten Parzellenfläche handelt es sich um eine Radar-Antenne.

 

Ein Sandsturm in Pakistan, aufgenommen am 13. Dezember 2003 mit dem MERIS-Spektrometer.

 

Oberflächentemperaturen in der Ägäis mit griechischen Inseln und Kreta, aufgenommen mit dem AATSR-Instrument. Viele Ansichten der Erde, die Envisat geliefert hat, sind nicht nur von wissenschaftlichem und tagesaktuellem Wert, sondern auch von ästhetischer Schönheit - die beiden Beispiele hier erinnern an Strukturen von Halbedelsteinen. Seit Dezember 2010 werden Envisats Ansichten der Erde auch Lufthansa-Passagieren zur Unterhaltung und Entspannung vorgeführt. Wer mag, kann sich die von Musik begleiteten Fotos auch herunterladen oder im Internet anschauen: http://multimedia.esa.int/Videos/2011/09/Space-for-ESA-Our-Colourful-Planet 
Fotos: ESA

 

 

Von Beginn an war Envisat eine Erfolgsgeschichte, am 22. September 2011 vollendete der Satellit seine 50.000. Erdumrundung. Der Umweltsatellit liefert nicht nur Daten über die normalen, unter anderem jahreszeitlichen Veränderungen in der Erdatmosphäre, auf den Landgebieten und den Ozeanen (wie Eisbildung und Schneeschmelze, Pflanzenwuchs, Chlorophyll-Konzentration und Algenblüte). Er registriert auch Brände, die Vernichtung der Regenwälder, Luftverschmutzung, Wüstenbildung und sogar Erdbeben. Envisat lieferte beispielsweise präzise Radardaten über das Erdbeben im iranischen Bam, bei dem im Dezember 2003 nicht weniger als 26.000 Menschen starben. Das aus Envisat-Daten erstellte Interferogramm bewies, dass das Epizentrum des Bebens sich an anderer Stelle als vermutet befand und dass der Seismologie ein höchst kritischer Punkt bisher entgangen war. Mit dem SCIAMACHY-Instrument konnte Envisat im Frühjahr 2007 beweisen, dass eine Wolke aus Kohlenmonoxid, ausgehend von Waldbränden in Südamerika, sich 13.000 Kilometer weit bis nach Australien erstreckte und dass die Hälfte des Kohlenmonoxidgehalts in der Atmosphäre über Australien ihren Ursprung auf dem anderen Kontinent hat. Auch die verheerenden Flächenbrände in Griechenland im August 2008 wurden u.a. von dem Satelliten registriert. Envisat war ursprünglich für eine Lebensdauer von fünf Jahren geplant, wird aber dank exzellenter Verfassung noch eine ganze Weile durchhalten. Er wird ja auch noch gebraucht...

hey 28-8-2007 

 


Der 8000-Kilo-Koloss Envisat im All mit ausgefahrenen Sonnensegeln zur Energieversorgung der Instrumente. Für die von Zeit zu Zeit nötigen Bahnkorrekturen hatte Envisat beim Start eine Extraration von 300 Kilo Hydrazin-Treibstoff mitbekommen.

Foto: ESA/Künstlerische Darstellung

 

Am 5. Juni 2009 gab die ESA bekannt, dass alle Mitgliedsstaaten einstimmig die Verlängerung der Envisat-Mission beschlossen. Der Satellit soll demnach bis 2013 weiter die Erde umrunden. Allerdings stellte sich 2010 heraus, dass man mit einem etwas niedrigeren Orbit Treibstoff einsparen konnte, damit die lange Laufzeit auch erreicht würde. Bisher nämlich musste von Zeit zu Zeit eine Korrektur der Orbit-Neigung und Orbit-Höhe vorgenommen werden, was jedes Mal Energie kostete. Envisat, 8000 Kilo schwer, bekam zwar für Bahnmanöver beim Start rund 300 Kilo Hydrazin-Treibstoff mit, aber der Vorrat ging in acht Jahren Betrieb doch etwas zur Neige. Am 22. Oktober 2010 begann bei abgeschalteten Instrumenten morgens der Vorgang der Umlaufsenkung von 800 auf 783 Kilometer über der Erde - am 26. Oktober abends war der in mehreren Stufen durchgeführte Prozess abgeschlossen und einen Tag später wurden allmählich die Instrumente wieder eingeschaltet. Trotzdem lieferte der ESA-Satellit seinen Kunden zwischen 22. Oktober und 2. November 2010 keine Daten und die Erdbeobachtung aus dem niedrigeren Umlauf sieht etwas anders aus: Die ASAR-Interferometrie musste dauerhaft herunter gefahren werden. Treibstoff wird nun nicht nur gespart, weil Envisat einen kleineren Umlaufzyklus einschlägt (bisher überflog er in 35 Tagen bei 501 Umläufen jeden Ort der Erde, nach der Flughöhen-Senkung braucht er nur noch 30 Tage bei 431 Umläufen) - sondern auch, weil jetzt nur noch die Höhe, nicht aber zusätzlich die Neigung von 98 Grad korrigiert werden muss. Die "neue" Envisat-Mission trägt den Namen: "Envisat 2010+".  Nach einer Testphase im November/Dezember 2010 nimmt der Satellit im Januar 2011 seinen Normalbetrieb wieder auf. 

hey 29-10-2010

 

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24-02-2002

 Last Update 26-09-2011

Die Erde endlich verstehen lernen

Der ESA-Umweltsatellit Envisat startete am 28. Februar 2002 in Kourou

 

Von Christel Heybrock 

 

Es ist ein Projekt der Superlative. Noch nie hat die aus seinerzeit 15 Mitgliedsstaaten bestehende europäische Raumfahrtagentur ESA einen so großen, so teuren, so leistungsfähigen Satelliten in den Orbit gebracht. Noch nie gab es eine Raumsonde, die sich allen wichtigen physikalischen Erscheinungen des einzigen Planeten widmen sollte, den wir wirklich zu kennen glaubten: unserer Erde. Aber noch nie scheint auch die Einsicht drängender gewesen zu sein, dass wir den Himmelskörper unter unseren Füßen noch lange nicht verstehen, dass wir das Zusammenwirken seiner Landmassen, Meere, Eisflächen und Luftschichten längst nicht durchschaut haben. Es ist höchste Zeit, wenn wir uns nicht durch egoistische Blindheit die eigenen Lebensräume zerstören wollen. Und dass Europa mit dieser Einsicht der klassischen Raumfahrtnation USA weit voraus ist, setzt dem Ganzen noch ein weiteres Glanzlicht auf. Ohnehin ist die ESA in der Erderkundung durch Vorläufersatelliten wie ERS-1 und ERS-2 seit langem engagiert. Die Amerikaner haben zwar auch eine ganze Flotte wichtiger Erderkundungssatelliten im Orbit und schickten beispielsweise im Dezember 2001 den Atmosphäre-Satelliten TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics & Dynamics) ins All, aber ein so umfassendes Wunderwerk wie Envisat ist nicht darunter und TIMED etwa hat nur den Spezialauftrag, die bisher wenig erforschten Luftschichten zwischen 60 und 180 km Höhe zu untersuchen. (Zusammen mit TIMED startete die amerikanisch-französische Mission Jason, von der weiter unten die Rede ist.) Envisat war und ist noch nach fast einem Jahrzehnt der Erdbeobachtungssatellit mit der komplexesten und detailliertesten Leistung.

 

In der Nacht vom 28. Februar auf den 1. März 2002 war es so weit: Auf dem Weltraumbahnhof Kourou in Südamerika wurde der mehr als 8 Tonnen schwere und rund 5 Milliarden Euro teure Envisat-Koloss auf einer Ariane-5-Rakete ins All geschossen - nach einer Panne im Jahr 2001und monatelangen Tests konnte das Aestus-Triebwerk der Ariane-5 schließlich korrigiert werden. (Grund für den Fehlstart waren offenbar Wasserreste in einigen Treibstoffleitungen nach Hydraulikversuchen.) Envisat soll die Erde etwa alle 100 Minuten in einer Höhe von 800 Kilometern umkreisen, fast schon außerhalb der Atmosphäre also und in einer Bahnneigung von 98,5 Grad. Da sich die Erde unter dem Riesenforschungslabor gleichzeitig weg dreht, überstreicht es mit seinen Messgeräten jeweils andere Kontinente, bis sich nach 35 Tagen die Ausgangsposition wiederholt. Auf diese Weise wird nicht nur die bisher genaueste geographische Karte erstellt, sondern auch registriert, was sich auf Land, Meer und in der Luft inzwischen verändert hat: Unwetter beispielsweise, Waldbrände, Vegetationsschäden, Erdbeben, Vulkanausbrüche...

 

Envisat ist mit zehn genial aufeinander abgestimmten Instrumenten und mit 50 unter anderem für die Lageregelung nötigen Bordcomputern bestückt. Für die unerlässliche Höchstpräzision seiner Umlaufbahn sorgt außerdem das Satellitenkontrollzentrum ESOC in Darmstadt, das ihn per Funk korrigieren kann, sollte er mal aus dem Ruder laufen. Hat er im Orbit erst sein energiespendendes Sonnensegel entfaltet (es enthält High-Tech-Solarzellen der Firma RWE, die bereits mehr als 300 Raumsonden die Sonnenenergie sicherte), misst Envisat 10 mal 25 Meter. Zunächst fünf Jahre sollte seine Mission dauern, aber von Anfang an rechnete man eher mit zehn. Envisat sammelt eine solche Datenfülle, dass er trotz seiner zwei Festspeicher mit 160 Gigabit alle paar Stunden „überlaufen“ müsste, wenn er nicht bei jedem Überflug Daten an den Bodenstationen in Schweden, Norwegen und Italien abladen könnte. Allerdings bleibt er mit denen immer nur für zehn Minuten in Kontakt, dann ist er schon wieder unterm Horizont verschwunden.

 

Bis Envisat auf vollen Touren seine Arbeit tut, steht möglicherweise auch der viel kleinere Bruder Artemis zur Verfügung, der ihm bei der Ariane-Panne im Juli 2001 voraus- und um ein Haar verloren ging. Die Ariane katapultierte Artemis nämlich nicht auf die geplante geostationäre Umlaufhöhe von 36.000 Kilometer, sondern brachte ihn nur auf 17.000 Kilometer Höhe. Da aber wäre er nutzlos gewesen: Erst in dem höheren Orbit kann der Satellit immer an derselben Stelle über der Erde fliegen und Daten zu einer dadurch ständig erreichbaren Bodenstation übertragen. Das ausgeklügelte Rettungsprogramm der Techniker auf der Erde schraubt den mit eigenem Ionenantrieb ausgestatteten Artemis allmählich auf die korrekte Höhe, die er wohl im Sommer 2002 erreichen wird. Dann kann der so viel niedriger und schneller (mit immerhin fast 20.000 Stundenkilometern) um uns herumsausende Envisat seine Erkenntnisse bei Artemis zwischenlagern, der sie dann zur Erde weitergibt.

 

Erforscht werden sollen die vier großen Bereiche der Geosphäre (damit ist der irdische Festkörper gemeint), der Hydrosphäre (Meere und Gewässer), der Atmosphäre und der Kryosphäre, der Eis- und Schneeflächen, sowie der Wechselwirkungen zwischen ihnen und mit der Biosphäre, also den Lebewesen. Envisats 10 Instrumente greifen dazu ineinander und sollen sogar wechselseitig ihre Messergebnisse korrigieren. Wenn der wie ein 10 Meter langes Brett aussehende ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) am „Bauch“ der Sonde  mit Radarstrahlen die Erdoberfläche und die Meere abtastet und dadurch zu einer neuen Kartographie unseres Planeten beitragen wird, kann er nicht nur von Weitwinkel- auf Nahaufnahmen umgestellt werden, sondern er wird auch ergänzt durch andere Instrumente, darunter RA-2 (Radar Altimeter 2) und DORIS (Doppler Orbitography und Radiopositioning Integrated by Satellite).

 


Jason-2 im Orbit, künstlerische Darstellung vom 8. Mai 2008
Foto: NASA

 

Hinsichtlich der Hydrosphäre kommt zusätzlich zu Envisat der französisch-amerikanische Kleinsatellit Jason ins Spiel, der am 7. Dezember 2001 zusammen mit TIMED startete und beispielsweise die Höhe der Meeresspiegel misst, aber aus einer gegenläufigen Bahn wie die Radar Höhenantenne RA-2 auf Envisat: Auf diese Weise können die ständigen Veränderungen der Meeresoberfläche sowie die Verteilung und Höhe der Wellenfronten mit bisher unerreichter Präzision beobachtet werden. Kilometerlange Wellen lassen sich darstellen, die vor Ort gar nicht zu erkennen sind. Zu Jason muss noch angemerkt werden, dass er im Juni 2008 einen Bruder bekam: Jason-1 spielte eine eher experimentelle Rolle; Jason-2 flog in 1336 km Höhe und einer Neigung von 66 Grad anfangs etwa 55 Sekunden hinter seinem Vorgänger her - die fast gleichzeitige Datenerhebung ermöglichte die genaue Einstellung der Instrumente auf Jason-2, der bereits zwei Tage nach seinem Start am US-Luftwaffenstützpunkt Vandenberg/Kalifornien die ersten Wellenformen aufzeichnete und schon eine Woche nach dem Start einen kompletten geophysikalischen Datensatz lieferte. Das wichtigste Instrument auf Jason-2 ist das Höhenmessgerät Poseidon 3, das Änderungen in der Höhe des Meeresspiegels aufzeichnet - die Meeresspiegelhöhe nämlich gilt als bedeutender Indikator des Weltklimawandels. Bei den Jason-Rohdaten bedienen sich Amerikaner und Europäer gleichermaßen; die europäische Nutzergemeinschaft EUMETSAT verarbeitet die Daten, die Jason beim Überfliegen der Bodenstation Usingen in Hessen abliefert, die amerikanische Wetterbehörde National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) empfängt die Rohdaten in Wallops und Fairbanks.

 

Aber zurück zu Envisat: Dessen Radarmessungen werden laufend von dem Instrument DORIS korrigiert, das Envisats Umlaufbahn unter Kontrolle hat. Die muss bis auf Zentimeter stimmen, damit die Messergebnisse keine Fehler liefern. DORIS steht daher mit Fixpunkten auf der Erde in Kontakt und bestimmt alle 100 Minuten die Unwucht der Flugbahn bis auf 5 Zentimeter genau. Außerdem kann das Instrument LRR 3 (Laser Retro-reflector) Lagekorrekturen vom Boden aus ermöglichen und die Instrumente DORIS und RA-2 regelmäßig neu eichen.

 

Der Radarhöhenmesser RA-2 könnte überdies Ungenauigkeiten produzieren, weil die Wassermoleküle der Atmosphäre seine Meßstrahlen brechen: Hier setzt der Mikrowellen-Radiometer MWR ein und speist Messdaten über die Verteilung von Wassermolekülen ins System, so dass Abweichungen herausgerechnet werden können. Freilich tut auch RA-2 bereits, was er kann, indem er nämlich in zwei Frequenzen gleichzeitig arbeitet und ablenkende Atmosphärenstrahlungen ausgleicht. Kann der Höhenmesser RA-2 auf den Meeren die Wellenhöhe bis auf 25 Zentimeter genau bestimmen, so liefert wiederum ASAR dazu die Wellenrichtung. Führt man beide Werte zusammen, lassen sich großflächige Strömungen erkennen, was besonders für die Schifffahrt von Bedeutung ist. ASAR kann außerdem Treibeis sichten und Packeisgrenzen vermessen. Sogar die gefürchteten, plötzlich auftretenden Monsterwellen von über 15 Metern Höhe sollen durch ihn vorher gesagt werden. Bei der globalen Katastrophenhilfe auch an Land könnte ASAR eine ganz neue Rolle spielen, indem er direkt auf betroffene Gebiete gerichtet werden und die Ausmaße von Erdrutschen oder Überschwemmungen ermitteln kann. ASAR dürften weder die Höhenprofile von Gletschern noch Ölteppiche auf hoher See oder die Abholzung der Regenwälder entgehen.

 


Eine Karte der europäischen Schiffsrouten, erstellt aus Daten des ASAR-Instruments auf dem Umweltsatelliten Envisat. Dabei handelt es sich nicht um Routen, die am Zeichenbrett festgelegt wurden, sondern um die realen Bewegungen von Schiffen zwischen 2002 und 2009. Jedes blaue Mikropünktchen ist ein vom Radar erfasstes Schiff. Nicht zufällig stimmen die Routen mit dem jährlichen Durchschnittswert von NO2 (Nitrogendioxid) überein, die der EOS-Aura-Satellit der NASA im Jahr 2008 ermittelte - umweltfreundlich ist die Schifffahrt nicht unbedingt.
Foto: CLS-KNMI-ESA

 

Nicht die Oberfläche, sondern die Farbe der Meere und darüber hinaus die Wolken soll das Instrument MERIS beobachten (Medium Resolution Imaging Spectrometer). Wolken halten nicht nur einen wesentlichen Teil des sichtbaren Sonnenlichts zurück, sondern auch den Infrarot-Anteil im Lichtspektrum. MERIS ermittelt die Luftfeuchtigkeit, aber auch den biologischen Zustand der Meere und Küstengewässer, deren Farbe von der Häufigkeit des  Phytoplanktons und anderen Pflanzen abhängt. Die mikroskopisch kleinen, in letzter Zeit hoch gefährdeten Planktonlebewesen sind unerlässlich für den Abbau der Kohlendioxid-Gase in der Atmosphäre. MERIS kann durch die Zerlegung des Lichts, das von Erde und Ozeanen reflektiert wird, Pflanzen in ihren verschiedenen Wachstumsphasen erkennen und die Gesamt-Chlorophyllmenge beziffern, aus der sich die pflanzliche Biomasse auf der Erde abschätzen lässt. Das Instrument soll beispielsweise den Farbwechsel von Blaugrün zu Orangerot beobachten und damit die gefährliche Algenblüte, die auf nährstoffreiche Abwässer und Umweltverschmutzung hindeutet.

 

Natürlich ist ebenso die Temperatur von höchster Bedeutung für Fischbestände, Plankton und Pflanzenwuchs. Auch Temperaturschwankungen deuten hin auf  die Verschmutzung von Meer und Land: Das Instrument AATSR (Advanced Along-Track Scanning Radiometer) tastet die Oberflächen von Landmassen und Ozeanen im sichtbaren und im infraroten Licht ab und bestimmt deren Temperatur bis zu 0,3 Grad Celsius genau. Allein an der Hitzeentwicklung kann AATSR beispielsweise Waldbrände erkennen – die Rodungen der tropischen Regenwälder können nicht länger geleugnet werden, nur weil sie unter Nebel und Wolken oder in weit abgelegenen Gebieten liegen. AATSR wird Brände am Infrarot-Muster der Flammen entdecken und die Rauchschwaden bis hinauf in die obersten Atmosphäreschichten verfolgen.

 

Um Infrarot geht es auch beim Instrument MIPAS (Michelson Interferometer für passive atmosphärische Sondierung), das im Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Forschungszentrums Karlsruhe entwickelt wurde und in anderer Version bereits auf Flugzeugen eingesetzt wird. MIPAS kann mit Hilfe von Infrarotstrahlung eine Vielzahl von Spurengasen in der Atmosphäre gleichzeitig messen und soll sich besonders mit der Ozonchemie auseinandersetzen. Industrieabgase und Treibhausgase können je nach ihrem Typ genau definiert werden. MIPAS wird helfen, die Zusammensetzung der Luftschichten und die Wechselwirkung ihrer Gase  neu zu bestimmen. Aber MIPAS ist nicht allein, seine Ergebnisse werden wiederum von GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars) und von SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography) erweitert und ergänzt. Mit GOMOS können die aktuellen Veränderungen des Ozonlochs schneller gezeigt werden als das heutige Wetter. Das Hochpräzisionsinstrument nimmt Sterne ins Visier, die gerade über dem Horizont aufgehen, wo der Lichtstrahl über besonders dichte Atmosphäreschichten dringen muss. Auf diese Weise misst GOMOS Wasserdampf und Ozon in den Atmosphäreschichten zwischen 20 und 100 Kilometern Höhe.

 

Besonders stolz sind die Deutschen auf SCIAMACHY, das den Ausstoß von Verbrennungsgasen ermittelt. Das Gerät ist eine Zusatzleistung der Deutschen, Niederländer und Belgier und wurde nicht von der Gesamtheit der 15 ESA-Mitgliedsstaaten finanziert. Es wird noch geringste Spuren von Industrie-, Landwirtschafts- oder Kraftwerksemissionen nachweisen. Was kein Auge sehen würde, wird sich als deutliche Rauchfahne darstellen lassen. Aber auch arktischer Dunst, Staubstürme und Vulkanausbrüche werden SCIAMACHY nicht entgehen. Es untersucht die Gesamtmenge der Gase in der Atmosphäre und zeigt sie in den einzelnen Höhenschichten, wobei es vor allem die weltweite Wanderung der Treibhausgase durch die Atmosphäre beobachtet. Mit den Daten von SCIAMACHY lässt sich auch feststellen, ob und wie viel giftiges Kohlendioxid tatsächlich von Plankton und Wäldern verarbeitet werden kann.

 

Neu an Envisat ist außerdem die umfassende Nutzbarkeit der ermittelten Fakten für kommerzielle Unternehmen. Die Hochseeschifffahrt beispielsweise könnte sich nichts Besseres wünschen als die präzise Vorhersage von Wellenfronten, Eisbergwanderungen und Unwettern, die Reisebranche dürfte sich freuen über genaue Angaben zur giftigen Algenblüte, die Badestrände gefährdet. Aber auch Vulkaneruptionen und Erdbeben lassen sich anhand geringster Änderungen in den Bodenerhebungen vorhersagen, Schlammlawinen und Schneeabgänge, die gefürchteten El-Niño-Wellenrücken – der Satellit, der sogar Wasseradern unterm Wüstenboden finden kann, wird auch die Katastrophen erkennen und kann zu rechtzeitigen Warnungen beitragen. Mit Envisat, dessen Datenfülle von mehr als 1000 europäischen Wissenschaftlern ausgewertet werden soll, wird sich unser Bild von der Erde und dem Zusammenwirken ihrer Kräfte grundlegend ändern.

 

Infos: 

- www.envisat.esa.int

- Aktuelle Aufnahmen des MERIS-Spektrometers sind kosten- und anmeldungsfrei unter der Adresse http://miravi.eo.esa.int/en/  erhältlich. Es handelt sich jeweils um nur zwei Stunden alte, aus den MERIS-Rohdaten generierte Fotos.

- http://topex-www.jpl.nasa.gov/mission/ostm.html (NASA-Webseite der Jason-Satelliten)

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