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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., 22.11.2003, 10 Uhr, Hörsaal 2

2 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.20032

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, 22.11.20034 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung

5 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.20035 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung

6 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.20036 Warum Atmosphärenforschung mit Satelliten? Globale Veränderung ErwärmungOzonschichtSchadstoffe Wetter Vorhersage Wir brauchen Daten!

7 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.20037 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung

8 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.20038

9 9 Meteosat Höhe? 36.000 km über dem Äquator

10 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200310 Meteosat: 0°Nord, 0°Ost Schnittpunkt Äquator / Greenwich Meridian

11 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200311 Geostationärer Orbit Höhe: 36.000 km Umlaufzeit: 23h 56min Kepler: Umlaufzeit 2 ~ Radius 3

12 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200312 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, 22.11.200313 Polare Orbits Höhe: ~800 km Umlaufzeit: 1h 40min Spezialfall Sonnensynchron: Satellit kommt jeden Tag zur gleichen Zeit vorbei.

14 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200314 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, 22.11.200315 Was fliegt denn da? Webtip: http://science.nasa.gov/Realtime/ Welcher Satellit ist wo?

16 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200316 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung

17 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200317 Elektromagnetische Strahlung = elektromagnetische Wellen Wir verwenden nur einen kleinen Teil zum Sehen

18 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200318 Das elektro- magnetische Spektrum

19 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200319 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, 22.11.200320 Wärme und Strahlung, zwei Energieformen Strahlung = elektromagnetische Welle Wärme = ungeordnete Bewegung der Moleküle

21 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200321 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, 22.11.200322 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, 22.11.200323 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, 22.11.200324 Die Planck Funktion

25 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200325

26 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200326 Infrarotbild, weiss-rot bedeutet heiss, grün-blau kühl.

27 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200327 Temperatur der Erdoberfläche Einfallende Sonnenstrahlung Abstrahlung

28 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200328 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung

29 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200329 Höhe, km 90 50 10 0 Anteil der totalen Luftmasse, % 99,9999 99,9 70 0 Mesosphäre Ultraviolettes Sonnenlicht Stratosphäre, Ozonschicht Troposphäre, Wetterschicht Die Stockwerke der Atmosphäre Erdoberfläche Grafik nach K. Künzi Sichtbares Sonnenlicht += Sauerstoff

30 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200330 Höhe, km 10 0 Erdoberfläche Grafik nach K. Künzi Troposphäre, Wetterschicht Strahlungsbilanz der Erde Gegenstrahlung (Treibhauseffekt)

31 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200331 Nah-Infrarot bis UV (Nur bei Tag) Mikrowelle bis Infrarot (Tag und Nacht) Messmethoden

32 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200332 Sonnen Wind, Teilchenstrom Die Magnetosphäre

33 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200333 Nordlicht von oben

34 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200334 Infrarotspektrum der Atmosphäre, vom Satelliten gesehen Planck Kurve Spektrallinien H2OH2O CO 2 O3O3 H2OH2O

35 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200335 Infrarotspektrum der Atmosphäre, vom Satelliten gesehen

36 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200336 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, 22.11.200337 Quanten RotationVibration Elektronensprung Nur diskrete = bestimmte Zustände möglich Energie der Strahlung muss genau passen

38 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200338 Jedes Molekül hat sein typisches Spektrum Wasserdampfspektrum Das Spektrum kann ziemlich kompliziert aussehen...

39 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200339 Der Mikrowellenbereich

40 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200340 H 2 O --- Wasserdampf O 3 --- Ozon + viele mehr CO 2 --- Kohlendioxyd O 2 --- Sauerstoff Gleichmäßig verteilt Wolken, Regen Was kann man messen? } Messung der Konzentration Messung der Temperatur }

41 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200341 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung

42 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200342 Die NOAA Satelliten

43 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200343 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, 22.11.200344 AVHRR Infrarot Bild Wolken, heller= kälter = höher

45 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200345 A M S U 16 Kelvin Bild von Mashrab Kuvatov Mikrowelle, sieht den Boden

46 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200346 A M S U 18 Kelvin Mikrowelle bei 183 GHz sieht nur Wasserdampf Bild von Mashrab Kuvatov

47 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200347 Kelvin trockene Subtropen feuchte Tropen

48 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200348 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, 22.11.200349 Kelvin

50 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200350 Eiswolken

51 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200351 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung

52 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200352 Envisat...in der Montagehalle bei ESA MIPAS (infrarot) SCIAMACHY (nah- infrarot bis UV) Bremen führend

53 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200353

54 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200354 Envisat Start Am 1. März 2002 Rakete: Ariane 5

55 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200355 Startparty in Bremen, 2:07 morgens

56 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200356 SCIAMACHY Messgeometrie Das Instrument kann auf drei verschiedene Arten messen.

57 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200357 Ozon von GOME (Vorgänger von SCIAMACHY) NordpolSüdpol

58 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200358 Stickoxide NO und NO 2 Quelle: Verbrennung fossiler Brennstoffe

59 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200359

60 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200360 Schwefeldioxid (SO 2 ) kommt aus Vulkanen Bild von Andreas Richter

61 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200361 MODIS Bild vom 28.10.2002 Kanäle im sichtbaren Licht

62 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200362

63 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200363

64 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200364

65 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200365 MODIS 28.10.2002 100 km Bild von: Liam Gumley http://terra.ssec.wisc.edu/~gumley/images.html

66 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200366 Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung

67 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200367 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, 22.11.200368 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, 22.11.200369 Faszinierend. Mr. Spock, was sagen Sie dazu?

70 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200370 Danke für´s Zuhören, ich bin gespannt auf die Fragen...

71 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200371 http://www.geog.ucsb.edu/~joel/g110_w02/chapt02/energy_rad/energy_rad.html http://www.drspecht.de/images/auto1_ir.jpg http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Airbags/images/molecules.jpg http://www.forst-hamburg.de/images/Kaminfeuer.JPG http://www.ci.maryville.tn.us/fire/eyehot.gif http://www.lenzlinger.ch/bilder/bereiche/mb/ueberuns/schweissen.jpg http://www.cyberspaceorbit.com/aurora1106.jpg http://users.castel.nl/~brinb05/meteosat.jpg http://collections.ic.gc.ca/satellites/english/anatomy/orbit/ Bildnachweis

72 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.200372 http://spaceflightnow.com/titan/g13/images/000822noaal.jpg http://ehf.uni-oldenburg.de/meteo/meteo_engl.html http://asd-www.larc.nasa.gov/asd_over/glossary/gifs/swath.gif http://www.insource.org/question.gif Bildnachweis


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