Infrarot-Fernerkundung Hector-Seminar Baden-Württemberg DLR_School_Lab Oberpfaffenhofen, 2. – 4. Mai 2006 Projekt 'Umweltphysik - Fernerkundung mit Satelliten' V. Tank, DLR - IMF

Fernerkundung im Infraroten Physik Systeme Anwendungen Methodenentwicklung

Infrared Remote sensing Method: optical measurement Physical Background Interaction of electromagnetic radiation and matter Energy transitions of gaseous molecules in the UV/VIS and infrared spectral band Laws, Equations Planck’s law on radiation emission Kirchhoff’s law Beer’s law Schwarzschild’s equation on radiation transfer

Das Plancksche Strahlungsgesetz (1900) Strahlungsemission (feste Stoffe, Flüssigkeiten) Spezifische Ausstrahlung MS() eines Schwarzen Strahlers: T T : Temperatur des Strahlers

Max Karl Ernst Ludwig Planck 1858 - 1947

Spezifische spektrale Ausstrahlung M() allgemeiner Strahler Das Kirchhoffsche Gesetz Spezifische spektrale Ausstrahlung M() allgemeiner Strahler : spektraler Absorptionsgrad

Gustav Robert Kirchhoff 1824 - 1887

Das Wiensche Verschiebungsgesetz (1893) Wellenlänge des Strahlungsmaximums Willy Wien 1864 - 1928

Strahlungseigenschaften von Materie () : spectral emission () : spectral absorption () : spectral reflection () : spectral transmission Strahldichte Objekt Vordergrund Hintergrund

Wechselwirkung mit Gasen (Molekülen), Aerosolen Strahlungsemission Diskrete Spektren: Linienposition Linienstärke Linienbreite (Absorptions- querschnitt) Rotation Rotation-Vibration temperaturabhängige Be- setzungswahrscheinlichkeit

Lambert-Beer Law  Strahlungsextinktion Absorption, Streuung c : spectral radiative power at the beginning of radiation transfer path s : spectral radiative power at the end of path s : wavenumber : spectral transmission : spectral extinction coefficient : optical thickness, optical depth cs: column density : temperature, pressure, concentration, pathlength 

Spectral extinction coefficient () (Beer, general extinction, Rayleigh theorie, scattering molecules, Mie theorie, scattering & absorption aerosols)

Radiative Transfer, Schwarzschild equation Background Fire Scene Troposphere Stratosphere Sensor Fire Emissions (Gases, Aerosols, Plume Temperature) Surface Temperature Atmos. Gases Temperature Pressure Radiative Transfer Spectrum Geometry Spectroscopic Data Base Schwarzschild Equation Beer‘s Law

Spektrale Transmission der Atmosphäre 3000 m vertikaler Weg, ab Höhe NN 0.3 0.5 1.0 1.5 3.0 5.0 10.0 15.0 20.0 2.0 Wellenlänge [µm] Transmission [%] 100 SWIR UV VIS MIR II TIR FIR NIR I

Messsysteme Radiometer Abbildende Radiometer mechanisch abtastend Pyrometer Abbildende Radiometer Kameras mechanisch abtastend Zeilenmatrix 2D Matrix Spektrometer Gitter Interferometer Abbildende Spektrometer Gitter, Zeilenmatrix, mechanische Abtastung Interferometer, 2D Matrix Radiometer, z.B. Pyrometer (Temperaturmessung)

Messwerte Primäre Messwerte Direkt abgeleitete Messwerte spektrale Strahlungsgrößen sp. Strahlungsleistung sp. Bestrahlungsstärke sp. Strahldichte Direkt abgeleitete Messwerte Temperatur Emissions-, Reflexions-, Tansmissionsgrad, Extinktion Vermittelte Größen Identifikation Konzentrationen Mengen Emissionsraten Zustandsparameter . . . . . .

Satellitengetragene Geräte

BIRD Bi-spectral InfraRed Detection DLR Kleinsatellit Sensorik zur Detektion and Analyse von Hochtemperaturereignissen (HTE High Temperature Events) Start: 22. October 2001 Satellit: 94 kg, 620 x 620 x 550 mm3 200 W max. Leistungsaufnahme

BIRD Payload Segment Payload platform of flight model with assembling tools Total mass: 30.2 kg

Signatures of Vegetation Fire and Background Spectra contain information on land surface, atmospheric gases and aerosols The second atmospheric window (MIR) is the optimum for the „hot spot“ detection

Characteristics of fire fronts (Australia, Jan. 5, 2002)

Peat fires, Kalimantan, Borneo 24 August 2002 NIR MIR TIR Radiative power

Easter Fires Steiermark -Kaernten, Austria, 30 March 2002 MIR Radiative power TIR

On-ground verification of night-time fire detection 18 January 2003, Ammersee area, Germany On-ground image of the test fire: Size = 2 × 2 m2 Max. temperature = 930-990 K Radiative power < 0.17-0.22 MW BIRD image in MIR channel: Estimated fire radiative power = 0.11 MW

Envisat measures Global Climate Change Sea level rise Sea surface temperature rise ATSR/AATSR measurements Trend 0.130.03C/decade Left: Now let’s look at the longer term. Here you can see the global mean relative sea level variations as determined from TOPEX/Poseidon (grey), ERS-1 (green), ERS-2 (red) and ENVISAT (blue).. Trends are systematically around 3 mm/year. This shows why ENVISAT and other altimetry systems are essential for effective global sea level and climate change monitoring. Right: The AATSR series provides Europe with 14 years of consistent data with an accuracy of 0.1 Kelvin on a Global scale. The animation provides global SST measurements from March 2003 to March 2004. The trend in sea surface temperature increase is 0.13 C/10 years (and is confirmed with NOAA-AVHRR similar measurements) Altimetry measurements Trend +3 mm/yr Courtesy of David Llewellyn Jones, Univ. Leicester, UK Courtesy of Remko Scharroo, NOAA,US Courtesy of

Methodenentwicklung Feueranalyse

Verbrannte Flächen (km2/Jahr) Bedeutung: Vegetations-Feuer Europa: 10.000.000 km2 Verbrannte Flächen (km2/Jahr) Savannen: 5.000.000 - 10.000.000 Boreale Wälder: 10.000.000 Regenwald:  200.000 mediterrane Wälder:  10.000 Bedeutung: Bedrohung von Menschen und Infrastruktur Vernichtung natürlicher Rohstoffe Klimaeinfluss durch Aerosole und Gase Bayern: 70.000 km2 offene Fragen: Menge der klimawirksamen Aerosole und Gase ? langfristige Entwicklung ?

Retrieval of Temperature and Gas Concentration Profiles Inversion of Radiative Transfer Equation (ill-posed nonlinear least squares problem) Sensor Temperature, Gas Concentration Altitude Profiles Spectrum MS-FS Surface Classification MS-IM

Realistic spectra as to be observed by MS-FS: Savannah Fire

Plume measurement and analysis

AIRS / MODIS data based fire plume analysis Atmospheric InfraRed Sounder (AIRS) and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer MODIS both on EOS Aqua simultaneous recorded the Spain - Portugal fire season in August 2003. The AIRS 13 km - diameter footprint required to look for: # large fires ... and # quiet background conditions 1 10 100 1000 MW 12:21:30 UTC on 14 August 2003 Mean effective fire temperature: 920 K Total effective fire area: 15.6 ha Fire Radiative Power (FRP): 6.2 GW Hotspots detected by BIRD on 14 August 2003 over Spain and Portugal

AIRS / MODIS quicklooks

AIRS Spektren Höhe ü. NN % Anteil Land

Methodenentwicklung Geophysik

Colour Photo and Thermal Image Where is the mofette?

Identification of mofette difference image 8 May 2004, 3 h 16 June 2004, 23 h

Determination of mofette`s area stepwise increase from T= 13,2 °C to T= 19,0 °C, step: 0,2 °C Determination of mofette`s area difference image

VIS – IR AirborneDetection of Mofettes Can vegetation type spectral signature be utilized to detect CO2 or other gases‘ influence?

Methodenentwicklung Umweltschutz

Detektion mit Infrarotsensoren Stand der Kenntnis Detektion mit Infrarotsensoren vertreiben erkennen und sichern !

Detektion mit Infrarotsensoren Stand der Technik Detektion mit Infrarotsensoren

Wild in Wiese Photo Infrarotaufnahme

DLR-ISA Wildretter Produktion und Vertrieb seit 1999 Patente und Entwicklung

Kitzrettung in Österreich zur Zeit ca. 200 Systeme im Einsatz Copyright: Dr. Ernst Moser

Stand der Forschung Kitz in schattiger Wiese sonnenbeschienene Wiese

Stand der Entwicklung kombinierte IR/µW-Sensorik Patente, Entwicklung gefördert durch:

Ziel: Einsatz- und maschinengerechtes Detektionsystem

Phantasie ist wichtiger als Wissen denn Wissen ist begrenzt Albert Einstein

http://www.dpma.de http://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet 1877 http://www.dpma.de http://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet http://www.espacenet.com/

Weg zum Erfolg in der Wissenschaft Viel Arbeit ein bißchen Glück Maul halten Albert Einstein Patent anmelden