Satelliten

Wie Satelliten sehen

Von der Wettervorhersage bis zur Urlaubsplanung mit Google Earth: Satellitenbilder sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Die ersten Wettersatelliten umkreisten bereits in den 1960er-Jahren die Erde.

Von Susanne Decker

Scharfe Augen

Seit den 1970er-Jahren werden auch Satelliten eingesetzt, die zur Beobachtung der Erdoberfläche entwickelt wurden und für diese Aufgabe mit speziellen Sensoren ausgerüstet sind.

Heute umkreisen mehrere hundert Satelliten unseren Planeten, viele davon zur Erdbeobachtung – ausgestattet mit zunehmend präziserer Technik. Geowissenschaftler erhalten von ihnen wichtige Daten, mit denen sie über lange Zeiträume Umweltveränderungen registrieren, großflächige Ereignisse auf der Erdoberfläche überwachen und daraus Modelle für die Zukunft ableiten können.

Erstaunlich ist, dass Satelliten aus einer Entfernung von mehreren hundert Kilometern auf der Erdoberfläche überhaupt noch etwas erkennen können. Und auch sonst ist ihr Blick auf die Erde sehr speziell und eine faszinierende Angelegenheit.

Schöne bunte Welt

Die Welt präsentiert sich uns Menschen in den schönsten Farben. Das erstaunliche ist: Das Gehirn mischt sich diese bunte Welt aus nur drei Farbeindrücken zusammen. Die Netzhaut im menschlichen Auge besitzt Rezeptoren für die Farben Blau, Grün und Rot. Das sind nur kleine "Fenster" innerhalb des elektromagnetischen Spektrums des Sonnenlichtes.

Gemessen an der Bandbreite dieses Spektrums, das von den extrem energiereichen Gammastrahlen bis zu den sehr langwelligen Radiowellen reicht, ist der für uns sichtbare Bereich dieses Spektrums nur ein winziger Bruchteil. Schon den kurzwelligen Ultraviolett- und den langwelligen Infrarotbereich, die nur etwas kurzwelliger als Blau beziehungsweise etwas langwelliger als Rot sind, können wir nicht mehr wahrnehmen.

Ich sehe was, was du nicht siehst

Erdbeobachtungssatelliten haben Sensoren, die weit mehr als diesen für uns sichtbaren kleinen Ausschnitt aus dem elektromagnetischen Spektrum erfassen können. Moderne Erdbeobachtungssatelliten mit sogenannten Hyperspektralsensoren können etwa 200 unterschiedliche Wellenlängen registrieren. Jedes dieser "Fenster" gibt andere Informationen preis.

Sehr wichtig für Geowissenschaftler ist zum Beispiel das "nahe Infrarot". Das ist der Anteil der Sonnenstrahlung, der vom Chlorophyll in den Pflanzen nicht absorbiert, sondern sehr intensiv zurückgestrahlt wird. Auch Grün wird von den Pflanzen reflektiert, (deshalb vermitteln uns Pflanzen auch diesen Farbeindruck), das Infrarot allerdings können wir nicht mehr wahrnehmen – die Satellitensensoren dagegen sehr wohl.

Mit diesen "nahen Infrarot"-Daten, können Geowissenschaftler beispielsweise den Gesundheitszustand von Wäldern beurteilen. Das ist hilfreich, um die Ausmaße von Waldschäden, wie etwa durch Waldbrände oder massive Rodungen, einschätzen zu können. Auch für die Landwirtschaft sind diese Infrarot-Messungen sehr wichtig.

Passive und aktive Satelliten

Satelliten mit Sensoren, die ausschließlich die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung empfangen, werden als "passive Satelliten" bezeichnet. Dazu gehören zum Beispiel die Satelliten des LANDSAT-Programms der NASA (National Aeronautics and Space Administration), die seit den 1970er-Jahren Bilder von der Erde liefern oder seit einigen Jahren der Satellit RapidEYE des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahr (DLR).

"Aktive Satelliten" dagegen haben nicht nur Sensoren, die Strahlung erfassen können – sie senden zusätzlich aktiv Signale zur Erde. Zum Beispiel Radarstrahlung – das sind Mikrowellen mit einer Wellenlänge im Zentimeterbereich.

Die Radarstrahlen werden an der Erdoberfläche reflektiert und dann wieder von Sensoren am Satelliten erfasst. Aus der Zeitdifferenz "Signal senden" und "Signal empfangen" kann die Entfernung des angepeilten Objektes äußerst präzise berechnet und somit genaue Höhenprofile von der Erdoberfläche erstellt werden.

Auch kann mit solchen Radarsatelliten die Beschaffenheit des Bodens analysiert oder die Dicke von Eisschichten bestimmt werden. Mit ihren "aktiven Radaraugen" können die Satelliten sogar durch Wolken und im Stockdunkeln "sehen".

Zwei Radaraugen sehen mehr – die Erde in 3D

Eine weltweit einzigartige Radarsatellitenmission führt das DLR mit dem Satelliten-Zwillingspärchen TerraSAR-X und TanDEM-X durch. Aus einer Höhe von 514 Kilometern und dort nur circa 200 Meter voneinander entfernt umrunden die beiden Satelliten im Tandemflug und mit stereoskopem Radarblick die Erde.

Sie liefern den Geowissenschaftlern bereits seit 2010 Daten, aus denen ein hochpräzises dreidimensionales Höhenmodell der gesamten Erde generiert wird.

2014 bildete TerraSAR-X gemeinsam mit seinem Zwillingsbruder TanDEM-X die Erdoberfläche nach mehreren Umrundungen komplett in 3D ab. Seit 2016 ist das Geländemodell der gesamten Erde mit einem Raster von zwölf mal zwölf Metern und einer Höhengenauigkeit von mehr als zwei Metern fertig.