Projekt:FE Auswerteverfahren 1/Niederschlag/Messmethoden - Aktive Instrumente

Teilprojekt Niederschlag

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Zu den aktiven Fernerkundungsverfahren zählen das Radar und der Laser (Lidar). Dabei handelt es sich um aktive Sensoren, d.h. die verwendete elektromagnetische Strahlung wird vom Aufnahme-System selbst erzeugt. Diese Strahlungspulse werden entweder im solaren Spektralbereich (Lidar) oder im Mikrowellenbereich (Radar) ausgesandt und die von der Erde und der Atmosphäre reflektierte Strahlung wieder empfangen. Sie registrieren die Laufzeit bzw. die Amplituden- und Phasendifferenz der von der Erdoberfläche zurückgestreuten Signale.

Mit aktiven Sensoren, die einen kleinen Ausschnitt der Atmosphäre gezielt mit einer Energiedichte beleuchten, die stärker als die der Sonneneinstrahlung ist, lässt sich grundsätzlich eine sehr viel höhere vertikale und horizontale Auflösung erzielen als mit passiven Sensoren.

Wegen sehr hoher technischer Schwierigkeiten bei der Raumflugtauglichkeit von Lasern werden Lidar-Sensoren zur Zeit vorwiegend noch als boden- oder flugzeuggestützte Sensoren eingesetzt und somit hier nicht näher betrachtet.

Radarsystem

Als bekanntestes aktives Messinstrument für Niederschläge gilt das Niederschlagsradar. Es wurde von der National Space Development Agency (JAXA) of Japan im Rahmen des Satellitenprogramm TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) der NASA und NASDA erstmals entwickelt.

Es ist das erste Regenmessinstrument im Weltraum, welches 3-dimensionale Karten von Sturmstrukturen zur Verfügung stellen kann. Die Messungen liefern wichtige Informationen über die vertikale Verteilung von Regen und Schnee von der Erdoberfläche bis in ungefähr 20 km Höhe. Neben der Intensität und räumlichen wie zeitlichen Verteilung von Regenfeldern, ermöglicht das Radar auch Angaben über die Niederschlagsart, Gewitterstrukturen und genaue Schätzungen von der vertikalen Verteilung latenter Wärme in der Atmosphäre (z.B. die Höhe, in der Schneeflocken in Regentropfen schmelzen). Das Niederschlagsradar ist sogar in der Lage ziemlich leichte Regenintensitäten bis zu 0,7 Millimeter pro Stunde zu ermitteln .

Funktionsweise

Beim Niederschlagsradar wird elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich von einem Sensor eines Satelliten in die Atmosphäre ausgesandt. Es handelt sich dabei um einen auf ca. 1° gebündelten, energiereichen Puls mit einer Wellenlänge λ von 3 bis 10 cm. Am häufigsten werden Frequenzbereiche im X- Band ( λ=2,4 – 4,5cm ) verwendet . Der Puls trifft dabei auf die in einer Wolke vorhandenen Niederschlagsteilchen, die Hydrometeore (Regentropfen, Eiskristalle, Hagelkörner). Diese Teilchen streuen die Radarstrahlung, wobei in der Zeit zwischen den ausgesandten Energieimpulsen ein Teil der ausgesandten Mikrowellen durch die Rückstreuung wieder an den Sensor gelangt. Die aufgefangene Rückstrahlung, das Radarecho, ist dann sehr schwach und muss folglich verstärkt werden. Das Zeitintervall zwischen den ausgesandten Impulsen und den dazugehörigen Echos entspricht jener Zeit, die der Impuls braucht, um die doppelte Entfernung zu den streuenden Hydrometeoren zurückzulegen. Da sich die Radarstrahlung mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, kann die Distanz vom Radar zu den Partikeln berechnet werden. Die Radarreflektivität (Echostärke) wird hauptsächlich von der Größe der Hydrometeore bestimmt. Mit abnehmender Größe verliert das Echo an Stärke und umgekehrt. Je mehr Wassertröpfchen eine Wolke enthält, desto mehr Mikrowellenstrahlung reflektiert sie zurück. Wasser streut stärker als Eis. Wassertropfen geben somit ein stärkeres Radarecho wieder als "trockene" Graupel gleicher Größe. Sehr starke Reflexion zeigen auch schmelzende Schneeflocken, die mit einer Wasserhaut überzogen sind. Ebenfalls sehr stark ist die Streuung an Hagelkörnern.

Auflösung

Das Niederschlagsradar des TRMM hat eine horizontale Auflösung von 5 km und eine Streifenbreite von 247 km. Der Sensor ist mit 13,8 GHz erfolgreich im Betrieb.

Eine Herausforderung war die Erfassung dreidimensionaler Regenkarten mit bestmöglicher Auflösung während der kurzen Aufnahmezeit, in der der Satellit lokale Stürme überfliegt. Um dieses Problem zu lösen, wählte das Forschungslabor der JAXA eine Radarfrequenz, welche ungefähr dreimal so hoch wie die eines typischen bodennahen Radars ist. Trotz der beschränkten Größe der Antenne im Weltraum, stellt der Gebrauch von hohen Radarfrequenzen eine gute Auflösung und Qualität der Satellitenbilder her. Mit der Verwendung einer Reihe aktiver Antennen und hoch entwickelter Signalverarbeitungstechniken kann ein elektronisches und schnelles Abtasten des Radarstrahles ermöglicht werden. Die Synchronisation der übertragenen und empfangenen Radarimpulse war dabei weiterhin sichergestellt.