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Eyes in the Sky Wetterbeobachtung und Atmosphärenforschung mit Satellitensensoren Dr. Stefan Bühler Institut für Umweltphysik SaMPhys Sa., 22.11.2003,

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1 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 3 Nur Science-Fiction? 80% Stickstoff, 20% Sauerstoff. Dazu Spuren von Wasserdampf, Kohlendioxid und Argon. Mr. Spock, was sagen Ihre Sensoren?

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

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

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

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

8 Stefan Bühler, SaMPhys,

9 9 Meteosat Höhe? km über dem Äquator

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

11 Stefan Bühler, SaMPhys, Geostationärer Orbit Höhe: km Umlaufzeit: 23h 56min Kepler: Umlaufzeit 2 ~ Radius 3

12 Stefan Bühler, SaMPhys, Geostationäre Satelliten Weit über 100, hauptsächlich für Fernsehen und Telekommunikation Meteorologie: Meteosat (Europa) GOES (USA) GMS (Japan) INSAT (Indien) GOMS (Russland) Vorteile/Nachteile?

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

14 Stefan Bühler, SaMPhys, Satelliten in polaren Orbits Terra und Aqua (amerikanisch) –MODIS Envisat (europäisch) –SCIAMACHY –MIPAS NOAA 15, NOAA 16, NOAA 17 (amerikanisch) –AMSU –HIRS –AVHRR

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

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

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

18 Stefan Bühler, SaMPhys, Das elektro- magnetische Spektrum

19 Stefan Bühler, SaMPhys, Elektromagnetische Strahlung = elektromagnetische Wellen Wir verwenden nur einen kleinen Teil zum Sehen Zur Fernerkundung kann im Prinzip das ganze Spektrum verwendet werden

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

21 Stefan Bühler, SaMPhys, Wärme und Strahlung Strahlung kann in Wärme umgewandelt werden Vor einem Kamin oder Kachelofen kann man die Wärmestrahlung als Wärme spüren

22 Stefan Bühler, SaMPhys, 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 ~ T 4

23 Stefan Bühler, SaMPhys, Je wärmer desto blauer Die Wellenlänge der Strahlung wird immer kürzer mit steigender Temperatur (Wiensches Verschiebungsgesetz) Herdplatte wird rotglühend, Schweissgerät gibt bläuliches Licht

24 Stefan Bühler, SaMPhys, Die Planck Funktion

25 Stefan Bühler, SaMPhys,

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

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

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

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

30 Stefan Bühler, SaMPhys, Höhe, km 10 0 Erdoberfläche Grafik nach K. Künzi Troposphäre, Wetterschicht Strahlungsbilanz der Erde Gegenstrahlung (Treibhauseffekt)

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

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

33 Stefan Bühler, SaMPhys, Nordlicht von oben

34 Stefan Bühler, SaMPhys, Infrarotspektrum der Atmosphäre, vom Satelliten gesehen Planck Kurve Spektrallinien H2OH2O CO 2 O3O3 H2OH2O

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

36 Stefan Bühler, SaMPhys, Warum gibt es Spektrallinien? Luft besteht aus Molekülen (Stickstoff N 2, Sauerstoff O 2, Kohlendioxid CO 2, Spurengase wie Ozon O 3,...) Moleküle können nur bei ganz bestimmten Frequenzen Strahlung absorbieren Warum?

37 Stefan Bühler, SaMPhys, Quanten RotationVibration Elektronensprung Nur diskrete = bestimmte Zustände möglich Energie der Strahlung muss genau passen

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

39 Stefan Bühler, SaMPhys, Der Mikrowellenbereich

40 Stefan Bühler, SaMPhys, H 2 O --- Wasserdampf O Ozon + viele mehr CO Kohlendioxyd O Sauerstoff Gleichmäßig verteilt Wolken, Regen Was kann man messen? } Messung der Konzentration Messung der Temperatur }

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

42 Stefan Bühler, SaMPhys, Die NOAA Satelliten

43 Stefan Bühler, SaMPhys, Instrumente InstrumentSpektralbereichAuflösung AMSUMikrowelle15-50 km HIRSInfrarot50 km AVHRRSichtbar/Infrarot1 km Verschiedene Instrumente und Kanäle machen verschiedene Sachen sichtbar. Nur manche Kanäle sehen den Boden.

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

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

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

47 Stefan Bühler, SaMPhys, Kelvin trockene Subtropen feuchte Tropen

48 Stefan Bühler, SaMPhys, Wasserdampf Wichtigstes Treibhausgas (10% mehr H 2 O = doppeltes CO 2 ) Wärmere Erde mehr Verdunstung mehr Wasserdampf? Für Klimavorhersagen muss man wissen, was mit dem Wasserdampf passiert.

49 Stefan Bühler, SaMPhys, Kelvin

50 Stefan Bühler, SaMPhys, Eiswolken

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

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

53 Stefan Bühler, SaMPhys,

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

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

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

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

58 Stefan Bühler, SaMPhys, Stickoxide NO und NO 2 Quelle: Verbrennung fossiler Brennstoffe

59 Stefan Bühler, SaMPhys,

60 Stefan Bühler, SaMPhys, Schwefeldioxid (SO 2 ) kommt aus Vulkanen Bild von Andreas Richter

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

62 Stefan Bühler, SaMPhys,

63 Stefan Bühler, SaMPhys,

64 Stefan Bühler, SaMPhys,

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

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

67 Stefan Bühler, SaMPhys, 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)

68 Stefan Bühler, SaMPhys, 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).

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

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

71 Stefan Bühler, SaMPhys, Bildnachweis

72 Stefan Bühler, SaMPhys, Bildnachweis


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