Wetterbeobachtung und Atmosphärenforschung mit Satellitensensoren

Präsentation zum Thema: "Wetterbeobachtung und Atmosphärenforschung mit Satellitensensoren"—  Präsentation transkript:

1 Wetterbeobachtung und Atmosphärenforschung mit Satellitensensoren
Eyes in the Sky Wetterbeobachtung und Atmosphärenforschung mit Satellitensensoren Dr. Stefan Bühler Institut für Umweltphysik SaMPhys Sa., , 10 Uhr , Hörsaal 2

2 Stefan Bühler, SaMPhys,

3 Nur Science-Fiction? Mr. Spock, was sagen Ihre Sensoren?
80% Stickstoff, 20% Sauerstoff. Dazu Spuren von Wasserdampf, Kohlendioxid und Argon. Nur Science-Fiction? Stefan Bühler, SaMPhys,

4 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits
Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys,

5 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits
Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys,

6 Warum Atmosphärenforschung mit Satelliten?
Wir brauchen Daten! Wetter Vorhersage Stefan Bühler, SaMPhys,

7 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits
Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys,

8 Stefan Bühler, SaMPhys,

9 Meteosat Höhe? 36.000 km über dem Äquator
Stefan Bühler, SaMPhys,

10 Schnittpunkt Äquator / Greenwich Meridian
Meteosat: 0°Nord, 0°Ost Schnittpunkt Äquator / Greenwich Meridian Stefan Bühler, SaMPhys,

11 Geostationärer Orbit Kepler: Umlaufzeit2 ~ Radius3 Höhe: 36.000 km
Umlaufzeit: 23h 56min Stefan Bühler, SaMPhys,

12 Geostationäre Satelliten
Weit über 100, hauptsächlich für Fernsehen und Telekommunikation Meteorologie: Meteosat (Europa) GOES (USA) GMS (Japan) INSAT (Indien) GOMS (Russland) Vorteile: Kann immer auf eine Stelle schauen, und sehen, wie sich das Wetter entwickelt Nachteile: Teuer Gute Auflösung schwer zu machen, weil weit weg Geht nicht für hohe Breiten Vorteile/Nachteile? Stefan Bühler, SaMPhys,

13 Polare Orbits Höhe: ~800 km Umlaufzeit: 1h 40min
Spezialfall Sonnensynchron: Satellit kommt jeden Tag zur gleichen Zeit vorbei. Stefan Bühler, SaMPhys,

14 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,

15 Was fliegt denn da? Webtip: Welcher Satellit ist wo? Stefan Bühler, SaMPhys,

16 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits
Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys,

17 Elektromagnetische Strahlung
= elektromagnetische Wellen Wir verwenden nur einen kleinen Teil zum Sehen Stefan Bühler, SaMPhys,

18 Das elektro-magnetische Spektrum
Stefan Bühler, SaMPhys,

19 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,

20 Wärme und Strahlung, zwei Energieformen
Strahlung = elektromagnetische Welle Wärme = ungeordnete Bewegung der Moleküle Stefan Bühler, SaMPhys,

21 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 ? P ~ T4 Je wärmer desto heller
Umgekehrt kann Wärme auch in Strahlung umgewandelt werden Jeder Gegenstand oder jedes Gas strahlt entsprechend seiner Temperatur Je heisser desto mehr Energie wird abgestrahlt (Strahlungsgesetz von Stefan und Boltzmann) ? P ~ T4 Stefan Bühler, SaMPhys,

23 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,

24 Die Planck Funktion Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003
Max Planck 1858 23. April: Max Planck wird in Kiel als Sohn des Juraprofessors Wilhelm Planck geboren. 1899 Mai: Planck entdeckt eine neue Naturkonstante, das nach ihm benannte Plancksche Wirkungsquantum. 1900 Durch eine Interpolation entwickelt er das exakte Gesetz der schwarzen Wärmestrahlung, das "Plancksche Strahlungsgesetz". Planck begründet die Quantentheorie, die die Physik revolutioniert und sie zu einem Grundlagenfach der Naturwissenschaften macht. Erst mit weitergehenden Deutungen von Albert Einstein und dem Bohrschen Atommodell gelingt der Planckschen Quantentheorie zehn Jahre später der Durchbruch. 1918 Für die Begründung der Quantentheorie erhält er den Nobelpreis für Physik. 1935 Trotz offizieller Verbote organisiert er eine Gedenkfeier für seinen im Exil verstorbenen jüdischen Kollegen Fritz Haber. 1944 Im Zusammenhang mit dem Attentatsversuch auf Hitler vom 20. Juli wird Plancks Sohn Erwin hingerichtet, der zum Kreis von Carl Friedrich Goerdeler gehörte. 1947 4. Oktober: Max Planck stirbt in Göttingen. Stefan Bühler, SaMPhys,

25 Stefan Bühler, SaMPhys,

26 Infrarotbild, weiss-rot bedeutet heiss, grün-blau kühl.
Stefan Bühler, SaMPhys,

27 Einfallende Sonnenstrahlung
Temperatur der Erdoberfläche Abstrahlung Stefan Bühler, SaMPhys,

28 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits
Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys,

29 Die „Stockwerke“ der Atmosphäre
Höhe, km 90 50 10 Anteil der totalen Luftmasse, % 99,9999 99,9 70 Ultraviolettes Sonnenlicht Mesosphäre Sichtbares Sonnenlicht + = Sauerstoff Stratosphäre, Ozonschicht Troposphäre,Wetterschicht Erdoberfläche Grafik nach K. Künzi Stefan Bühler, SaMPhys,

30 Strahlungsbilanz der Erde
Höhe, km 10 Gegenstrahlung (Treibhauseffekt) Troposphäre,Wetterschicht Erdoberfläche Grafik nach K. Künzi Stefan Bühler, SaMPhys,

31 Messmethoden Nah-Infrarot bis UV (Nur bei Tag)
Mikrowelle bis Infrarot (Tag und Nacht) Stefan Bühler, SaMPhys,

32 Sonnen Wind, Teilchenstrom
Die Magnetosphäre Sonnen Wind, Teilchenstrom Stefan Bühler, SaMPhys,

33 Nordlicht von oben Stefan Bühler, SaMPhys,

34 Infrarotspektrum der Atmosphäre, vom Satelliten gesehen
Spektrallinien Planck Kurve H2O CO2 H2O O3 Stefan Bühler, SaMPhys,

35 Infrarotspektrum der Atmosphäre, vom Satelliten gesehen
Stefan Bühler, SaMPhys,

36 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,

37 Quanten Rotation Vibration Elektronensprung
Nur „diskrete“ = bestimmte Zustände möglich Energie der Strahlung muss genau passen Stefan Bühler, SaMPhys,

38 Jedes Molekül hat sein typisches Spektrum
Wasserdampfspektrum Das Spektrum kann ziemlich kompliziert aussehen... Stefan Bühler, SaMPhys,

39 Der Mikrowellenbereich
Stefan Bühler, SaMPhys,

40 } } Was kann man messen? H2O --- Wasserdampf Messung der Konzentration
O3 --- Ozon + viele mehr CO2 --- Kohlendioxyd O2 --- Sauerstoff Gleichmäßig verteilt Wolken, Regen Messung der Konzentration } Messung der Temperatur Stefan Bühler, SaMPhys,

41 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits
Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys,

42 Die NOAA Satelliten Stefan Bühler, SaMPhys,

43 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,

44 AVHRR Infrarot Bild Wolken, heller = kälter = höher
Stefan Bühler, SaMPhys,

45 A M S U 16 Kelvin Mikrowelle, sieht den Boden Bild von Mashrab Kuvatov
Stefan Bühler, SaMPhys,

46 A M S U 18 Kelvin Mikrowelle bei 183 GHz sieht nur Wasserdampf
Bild von Mashrab Kuvatov Stefan Bühler, SaMPhys,

47 trockene Subtropen feuchte Tropen Kelvin
Stefan Bühler, SaMPhys,

48 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,

49 Kelvin Stefan Bühler, SaMPhys,

50 Eiswolken Stefan Bühler, SaMPhys,

51 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits
Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys,

52 Envisat ... in der Montagehalle bei ESA MIPAS (infrarot)
SCIAMACHY (nah-infrarot bis UV) Bremen führend Stefan Bühler, SaMPhys,

53 Stefan Bühler, SaMPhys,

54 Envisat Start Am 1. März 2002 Rakete: Ariane 5
Stefan Bühler, SaMPhys,

55 Startparty in Bremen, 2:07 morgens
Stefan Bühler, SaMPhys,

56 SCIAMACHY Messgeometrie
Das Instrument kann auf drei verschiedene Arten messen. Stefan Bühler, SaMPhys,

57 Ozon von GOME (Vorgänger von SCIAMACHY)
Nordpol Südpol Stefan Bühler, SaMPhys,

58 Stickoxide NO und NO2 Quelle: Verbrennung fossiler Brennstoffe
Stefan Bühler, SaMPhys,

59 Stefan Bühler, SaMPhys,

60 Schwefeldioxid (SO2) kommt aus Vulkanen
Bild von Andreas Richter Stefan Bühler, SaMPhys,

61 Kanäle im sichtbaren Licht
MODIS Bild vom Kanäle im sichtbaren Licht Stefan Bühler, SaMPhys,

62 Stefan Bühler, SaMPhys,

63 Stefan Bühler, SaMPhys,

64 Stefan Bühler, SaMPhys,

65 MODIS 28.10.2002 100 km Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003
Bild von: Liam Gumley Stefan Bühler, SaMPhys,

66 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits
Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys,

67 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,

68 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,

69 Faszinierend. Mr. Spock, was sagen Sie dazu?
Stefan Bühler, SaMPhys,

70 Danke für´s Zuhören, ich bin gespannt auf die Fragen...
Stefan Bühler, SaMPhys,

71 Bildnachweis Stefan Bühler, SaMPhys,

72 Bildnachweis Stefan Bühler, SaMPhys,