Projekt:FE Beobachtung 1/A-Train/Aufbau der Satelliten und Messsysteme/PARASOL

Teilprojekt A-Train

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Autor: lotti

PARASOL ist die Abkürzung für Polarization and Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Sciences coupled with Observations from a Lidar (Polarisation und Anisotropie der Reflexionen für die atmosphärischen Wissenschaften gekoppelt mit Lidarbeobachtungen). Der Satellit fliegt in Formation mit den Satelliten: Aqua, Aura, Calipso und CloudSat (und OCO 2008) als Teil des so genannten A-Train und nimmt hinter dem momentanen Führungssatelliten Aqua die dritte Position ein.

Der Start

Parasol wurde unter Beteiligung der LOA (atmosphärische Optik Labor) in Lille (CNRS-USTIL) entworfen. Die Entwicklung des Satelliten wurde von CNES durchgeführt und erfolgte vom April 2002 bis zum Start 2004. Am 18.12.2004 wurde PARASOL von Ariane 5 G+, vom europäischen Weltraumhafen Kourou, französisch Guiana gestartet und auf seine geplante 2 jährige Mission geschickt.

Der Orbit

Der Satellit weist eine Flughöhe von 705 km und eine Bahnneigung zwischen 98,2°(Aqua) und 98,08°(Calipso) auf. Die Äquatorüberquerung muss in Übereinstimmung mit den anderen Satelliten erfolgen und ist zwischen 14 Uhr 10 am Anfang und 12 Uhr 50 am Ende der Mission festgesetzt. Die Lebensdauer von PARASOL in der Erdumlaufbahn sollte eine 2 jährige Mission abdecken. Diese Zeitspanne konnte schon überschritten und der Satellit auch weiterhin genutzt werden.

Technische Beschreibung

Die Raumsonde stellt den 2.Mikrosatelliten der französischen Myriadenbaureihe dar und hat ein Gesamtgewicht von 120 kg. Die Ausmaße betragen 0.6m x 0.6m x 0.8m und seine Messgenauigkeit liegt bei 0.1°

Aufgaben und Bedeutung

Die Sonnenstrahlung wird polarisiert, wenn sie von Partikeln wie Aerosolen, Wassertropfen oder Eiskristallen gestreut wird. Am LMD (dynamischen meteorologische Forschungslabor Frankreichs) wurde gezeigt, dass nicht nur natürliche sondern auch anthropogene Aerosole eine entscheidende Rolle bei der Klimagestaltung spielen. Diese Erkenntnisse sollen durch Beobachtungen des Satelliten mit berücksichtigt werden. PARASOL misst polarisiertes Licht in verschiedenen Richtungen, um eine präzisere Charakterisierung von Wolken und Aerosolen hinsichtlich Strahlungs- und mikrophysikalischer Eigenschaften zu erreichen, als dies mit traditionellen Methoden erreicht werden kann, welche nur die spektrale Signatur gemessen haben. So soll auch die Strahlungsbilanz der Erde beurteilt werden. Die durch PARASOL gesammelten Daten erlauben dann die Quantität und Größe der Streuung von Aerosolen über Ozeanen, den Trübungsindex über Landoberflächen zu ermitteln und den Strahlungsantrieb der Sonnenstrahlung zu beurteilen. Weiterhin sollen sie auch helfen, Wolken zu erfassen, ihre thermodynamische Phase und Höhe zu bestimmen, den reflektierten Strahlungsfluss abzuschätzen und den ganzheitliche Wasserdampfgehalt zu ermitteln. Der Satellit enthält erstmals eine vollständige Instrumentenabfolge, um Wolken und Aerosole, mit Hilfe passiver Radiometer und aktiver Lidar- und Radarmessgeräte zu beobachten, indem die Bündelung und Polarisation des Lichtes, das vom Erdatmosphärensystem reflektiert wird, gemessen wird. Dabei soll PARASOL die Polarisation und Bündelung der Reflexion besonders in den Regionen messen, die vom Lidar des Callipso Minisatelliten abgedeckt werden. So nutzt er auch andere Instrumente des A-Train wie CERES und MODIS Radiometer des Aqua Satelliten, das Lidar von Callipso und das Radar von Cloudsat.

Messeinrichtungen

Die Beladung besteht aus: einem Computer mit 16 GB Massendatenspeicher, schnell datenübertragende Fernmesstechnik und dem POLDER Instrument. Der POLDER (Polarisation und Bündelung der Erdreflexion) ist ein, einen großen Bereich abdeckendes, Radiometer(Strahlungsmesser) / Polarimeter. Dieser POLDER besteht aus einer Digitalkamera mit 284 x 364 Pixel CCD Erkennungsmatrix, telezentrischer Optik, die einen großen Bereich abdeckt und einem rotierenden Drehscheibenrad, welches Spektral- und polarisierte Filter trägt. Der POLDER hat 15 Filter mit einer spektrale Bandbreite von 443nm bis 910nm, dabei decken die Bandbreiten 763nm die Sauerstoffmoleküle und 910nm die Wasserdampfmoleküle ab. Die Filter und Polarisatoren messen sowohl im sichtbaren, als auch im nahen Infrarot. Der POLDER hat eine Masse von 32kg, seine Abmessungen betragen 0.8m x 0.5m x 0.25m und einen Energieverbrauch von 50W. Die Abdeckweite beträgt 2400km, die Auflösung 6km x 7km und das Sichtfeld deckt 43°entlang der Umlaufbahn und 51°quer der Umlaufbahn ab. Die Kodierung erfolgt in 12 bits und eine Datenrate von 883kbps wird umgesetzt. Es wir von einer Mindestbetriebsdauer von 3 Jahren ausgegangen. Für einige Wellenlängen messen 3 Filter die lineare Polarisation des einfallenden Lichts in 3 Richtungen geteilt durch 120°. So können die Strokesparameter und die Gesamtstrahlung erhalten werden. Die Erfassung einer Bildsequenz alle 20s ermöglicht weiterhin die Observierung eines natürlichen Ziels aus unterschiedlichen Richtungen. Durch die Spektral-, Bündelungs- und polarisierten POLDER Messungen eröffnen sich neue Möglichkeiten, um Wolkenphasen und -höhen zu bestimmen und Aerosol- und Biosphärenparameter auszuwählen.

POLDER Konzepte

Multispektrales Konzept: Der POLDER umfasst 9 Bandbreiten, 3 davon (443nm, 670nm, 865nm)sind mit polarisierten Filtern (P1, P2, P3) verbunden. Weitere 3 Bandbreiten sind für die Beobachtung der Ozeanenfarben (443nm, 490nm, 565nm)vorgesehen. Die molekularen Absorptionsbandbreiten 763nm für Sauerstoffmoleküle und 910nm für Wasserdampfmoleküle lassen eine Bewertung dieser Stoffe zu. Die nicht polarisierten Kanäle der POLDER sind so konstruiert, dass ein direkten Vergleich mit den OCTS Beobachtungen durchgeführt werden kann.

Bündelungskonzept: Die Abbildungsgeometrie unter Berücksichtigung der Sonne bestimmt stark die Reflexion, die durch ein Radiometer an Bord des Satelliten gemessen wird. Die Positionen des Abbilders und der Sonne relativ zum Ziel wird üblicherweise durch 3 Blickwinkel repräsentiert: dem Zenithblickwinkel, dem Sonnenzenithwinkel und dem relativen Azimuthwinkel. Der Winkel zwischen der einfallenden und gestreuten Richtung wird als Streuungswinkel bezeichnet. Durch die Kombination des weiten Sichtfeldes mit der Verschiebung der Satellitenbahn von einem Tag zum andern, ist es möglich ein Ziel auf dem Boden aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten. Dabei findet die POLDER Abbildungsgeometrie wie folgt statt: An einem bestimmten Ort wie z.B. Kopenhagen bleibt der Sonnenwinkel annähernd konstant, während sich der Azimuthwinkel sehr schnell ändert. Der Satellit überquert denselben Punkt am Boden alle 41 Tage (Zyklus) für POLDER 1 und alle 4 Tage für POLDER 2. Folglich überquert der Satellit dieselbe Stelle jeden Tag mit einem neuen Winkelbereich. Dies führt zu einer sehr dichten Erfassung der bidirektionalen Reflexion des Ortes. So liefert der POLDER umfassende Stichproben der bidirektionalen Reflexions-Streuungsfunktion besonders im ebenen (relativer Azimuthwinkel=0°) und senkrechten Fall (relativer Azimuthwinkel=90°). So werden hochsignifikante Effekte durch den POLDER erfasst und können in einer neuen Weise bei der Interpretation der Messungen bearbeitet werden.

Polarisierungskonzept: Das Licht der Sonne ist nich polarisiert oder eher zufällig polarisiertes Licht. Bestimmte physikalische Prozesse richten elektrische Schwingungen aus und erzeugen daher polarisiertes Licht. In den folgenden Beispielen wird veranschaulicht, wie die Polarisierung in Kombination mit der Bündelung der herkömmlichen Analyse der spektralen Signaturen von Aerosolen und Wolken eine neue Dimension hinzufügt.

1. Der Sonnenglanz auf einer Oberfläche erzeugt sowohl einen hellen Fleck auf natürlichen Lichtabbildungen als auch ein starkes Signal auf polarisierten Abbildungen. Je rauer die Oberfläche dabei ist, desto breiter und weniger intensiv fällt das Glanzschema aus.
2. Neben den Reflexionsphänomenen, wird die polarisierte Komponente, die an der Oberkante der Atmosphäre gemessen wird, hauptsächlich durch einen Streuungsmechanismus, den Streuungswinkel charakterisiert. Die durch den POLDER polarisierten Abbildungen sind deshalb durch überlagernde Streuungswinkel-Isolinien leichter zu interpretieren. Das Rückstreuungsgebiet ist dunkel, weil die Polarisierung nahe 0 ist, wenn der Streuungswinkel=180° beträgt.
3. Die Polarisierung durch die molekulare Streuung in der Atmosphäre ist vorherrschender als die polarisierte Abgabe von der Oberfläche. Das erklärt warum die Farbe blau vorherrscht und nur wenig Kontrast zwischen Land und Meer auf polarisierten Abbildungen, die bei blauem Himmel aufgenommen wurden, zu erkennen ist. Über den Wolken (in weiß, weil sie spektral neutral sind) ermöglicht es die molekulare Polarisierung die Wolkenhöhen zu erfassen.
4. Wenn die molekulare Streuung und die polarisierte Bodenabgabe abgezogen worden sind, liefert das Restsignal Informationen über die Aerosolfracht in der Atmosphäre.

Leistung und Bedarf des POLDERS

Die radiometrische Leistung wird in der Laufzeit des Signal-Stör-Verhältnisses für eine Reflexion von 0,1 unter der Annahme, dass die Sonne am Zenith steht, ausgedrückt. Um die radiometrische Qualität der Messung zu optimieren, werden 2 Zenithaufnahmen programmiert. Eine kurze Verweilzeit für hoch reflektierende Ziele (hoch dynamischer Modus) und eine lange Verweilzeit für schwach reflektierende Ziele (schwach dynamischer Modus).

Die Geometrischen Leistungen und Anforderungen ergeben sich folgendermaßen: Mit einer Sichtweite von 43° entlang und 51° quer zur Umlaufbahn und einer Abdeckweite von 2400km wird eine tägliche Abdeckung der gesamten Erde ermöglicht. Die Instrumentenauflösung beträgt 6 km x 7 km am Tiefstpunkt und steigt mit höheren Einfallswinkeln, aufgrund der Erdkrümmung, an. Eine Pixelgröße von 6 km x 6 km wird nach Wiederholungsabtastung über das geokodierte POLDER Raster erreicht.

Die Kalibrieungsleistung ergibt sich folgendermaßen:

• 2-3% für die absolute Kalibrierung (Rayleigh Streuung),
• 1% für die Kalibrierung der Zwischenbandbreiten (Glanzbedingungen),
• 1% für die schwachfrequente Zwischenpixelkalibrierung (über Wüsten und Glanzbedingungen),
• 0,1% für die hochfrequente Zwischenpixelkalibrierung (über räumlich homogenen Wüstenbedeckungen)

Das Polarisierungsverhältnis wird über Zielen kalibriert und gelten für hohe und schwache Polarisierungen mit einer erwarteten Genauigkeit von 1%.

PARASOL Bodensteuerungssegment

Das PARASOL Bodensteuerungssegment besteht aus 3 Einheiten:

1. das Befehls- und Kontrollbodensegment: das MIGS (Mikrosatellitbodensegment) besteht in der betrieblichen Phase aus 4 Komponenten:
   • einem Mikrosatelliten mehrfach Missions Befehls- und Kontrollzentrum (CCC). Diese Komponente umfasst ein Nominal- und ein Testzentrum. DEMETER und PARASOL Operationen werden vom selben CCC freigegeben.
   • einer 2GHz Empfangsstation (TTCET(Telemetrie und Telebefehls Erddatenstation)) Eine dieser Stationen befindet sich in Assaguel und eine andere in Kiruna.
   • eine 8GHz Empfangsstation (XTET(X-Bandbreiten Telemetrische Erddatenstation)) Ist ür den Empfang der wissenschaftlichen Ladungstelemetrie zuständig und befindet sich im CNES in Toulouse.
   • ein Kommunikationsnetzwerk (DCN(Data Communication Network))
2. das Wissenschaftliche Missionszentrum Level1 CMS-N1 besteht aus 3 Einheiten:
   • dem frontalen CMS, welches die Ladungsfernsteuerung zum Kontrollzentrum sendet und die wissenschaftliche Ladungstelemetrie, die in der 8GHz Station gelagert wird, wiederherstellt.
   • dem Produktionszentrum (CPP) für das Verarbeiten, die Verteilung und die Archivierung der PARASOL Level 1 Produkte.
   • dem Abbildungsqualitätssystem (SQ1) für das weitere Bearbeiten der Instrumentenarbeitsleistung, zum Einstellen des Kalibrierungsbetriebs und zur Berechnung der Kalibrierungskoeffizienten.
3. die ICARE Forschungsstruktur, welche durch die Bildung der zugehörigen Datenmanagements und des Verarbeitungszentrums die Level 2 und 3 Daten verarbeitet und die PARASOL Level 2 und 3 Produkte verteilt und archiviert.

Datenbeschaffung

http://www-icare.univ-lille1.fr/parasol/ und

http://smsc.cnes.fr/POLDER/GP_instrument.htm

Auf diesen Seiten können die Daten für POLDER 1 und POLDER 2 heruntergeladen werden.