Wetterbeobachtung und Atmosphärenforschung mit Satellitensensoren Eyes in the Sky Wetterbeobachtung und Atmosphärenforschung mit Satellitensensoren Dr. Stefan Bühler Institut für Umweltphysik SaMPhys Sa., 22.11.2003, 10 Uhr , Hörsaal 2

Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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, 22.11.2003

Übersicht Warum? Geostationäre und polare Orbits Spektralbereiche, Wärmestrahlung Strahlung in der Atmosphäre NOAA Satelliten Envisat Zusammenfassung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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Warum Atmosphärenforschung mit Satelliten? Wir brauchen Daten! Wetter Vorhersage Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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Meteosat Höhe? 36.000 km über dem Äquator Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Schnittpunkt Äquator / Greenwich Meridian Meteosat: 0°Nord, 0°Ost Schnittpunkt Äquator / Greenwich Meridian Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Geostationärer Orbit Kepler: Umlaufzeit2 ~ Radius3 Höhe: 36.000 km Umlaufzeit: 23h 56min Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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, 22.11.2003

Polare Orbits Höhe: ~800 km Umlaufzeit: 1h 40min Spezialfall Sonnensynchron: Satellit kommt jeden Tag zur gleichen Zeit vorbei. Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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, 22.11.2003

Was fliegt denn da? Webtip: http://science.nasa.gov/Realtime/ Welcher Satellit ist wo? Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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Elektromagnetische Strahlung = elektromagnetische Wellen Wir verwenden nur einen kleinen Teil zum Sehen Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Das elektro-magnetische Spektrum Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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, 22.11.2003

Wärme und Strahlung, zwei Energieformen Strahlung = elektromagnetische Welle Wärme = ungeordnete Bewegung der Moleküle Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Wärme und Strahlung Strahlung kann in Wärme umgewandelt werden Vor einem Kamin oder Kachelofen kann man die Wärmestrahlung als Wärme spüren Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

? 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, 22.11.2003

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, 22.11.2003

Die Planck Funktion Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 Max Planck 1858-1947 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, 22.11.2003

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Infrarotbild, weiss-rot bedeutet heiss, grün-blau kühl. Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Einfallende Sonnenstrahlung Temperatur der Erdoberfläche Abstrahlung Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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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, 22.11.2003

Strahlungsbilanz der Erde Höhe, km 10 Gegenstrahlung (Treibhauseffekt) Troposphäre,Wetterschicht Erdoberfläche Grafik nach K. Künzi Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Messmethoden Nah-Infrarot bis UV (Nur bei Tag) Mikrowelle bis Infrarot (Tag und Nacht) Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Sonnen Wind, Teilchenstrom Die Magnetosphäre Sonnen Wind, Teilchenstrom Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Nordlicht von oben Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Infrarotspektrum der Atmosphäre, vom Satelliten gesehen Spektrallinien Planck Kurve H2O CO2 H2O O3 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Infrarotspektrum der Atmosphäre, vom Satelliten gesehen Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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, 22.11.2003

Quanten Rotation Vibration Elektronensprung Nur „diskrete“ = bestimmte Zustände möglich Energie der Strahlung muss genau passen Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Jedes Molekül hat sein typisches Spektrum Wasserdampfspektrum Das Spektrum kann ziemlich kompliziert aussehen... Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Der Mikrowellenbereich Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

} } 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, 22.11.2003

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Die NOAA Satelliten Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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, 22.11.2003

AVHRR Infrarot Bild Wolken, heller = kälter = höher Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

A M S U 16 Kelvin Mikrowelle, sieht den Boden Bild von Mashrab Kuvatov Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

A M S U 18 Kelvin Mikrowelle bei 183 GHz sieht nur Wasserdampf Bild von Mashrab Kuvatov Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

trockene Subtropen feuchte Tropen Kelvin Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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, 22.11.2003

Kelvin Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Eiswolken Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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Envisat ... in der Montagehalle bei ESA MIPAS (infrarot) SCIAMACHY (nah-infrarot bis UV) Bremen führend Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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Envisat Start Am 1. März 2002 Rakete: Ariane 5 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Startparty in Bremen, 2:07 morgens Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

SCIAMACHY Messgeometrie Das Instrument kann auf drei verschiedene Arten messen. Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Ozon von GOME (Vorgänger von SCIAMACHY) Nordpol Südpol Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Stickoxide NO und NO2 Quelle: Verbrennung fossiler Brennstoffe Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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Schwefeldioxid (SO2) kommt aus Vulkanen Bild von Andreas Richter Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Kanäle im sichtbaren Licht MODIS Bild vom 28.10.2002 Kanäle im sichtbaren Licht Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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MODIS 28.10.2002 100 km Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003 Bild von: Liam Gumley http://terra.ssec.wisc.edu/~gumley/images.html Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

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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, 22.11.2003

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, 22.11.2003

Faszinierend. Mr. Spock, was sagen Sie dazu? Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Danke für´s Zuhören, ich bin gespannt auf die Fragen... Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Bildnachweis 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/ Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003

Bildnachweis 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 Stefan Bühler, SaMPhys, 22.11.2003