Projekt:FE Beobachtung 1/TOVS/Aufbau

Aufbau der Satelliten der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)

Die TOVS-Instrumente befinden sich häufig an Bord der NOAA-Satelliten aus der TIROS-Satellitenreihe. Ihr typischer Aufbau und die Platzierung der TOVS-Instrumente am Satelliten soll hier näher beschrieben werden.

Bei dieser Art von polarumlaufenden Wettersatelliten ist der Bahnverlauf sonnensynchron, dass heisst der Satellit überfliegt einen gewissen Punkt immer zur gleichen Tageszeit. Die Neigung der Umlaufbahn ist 98° im Vergleich zum äquatorialem Plan. Eine Umlaufperiode beträgt 102 Minuten, so dass der Satellit den Äquator wenigstens 14 Mal täglich, in aufsteigender und absteigender Richtung überfliegt. Die Umlaufperiode ist die Zeit, die der Satellit für eine vollständige Umrundung der Erde benötigt. Dabei sind 2 Satelliten phasenverschoben, somit wird das gleiche Gebiet mindestens vier Mal am Tag mit einem Abstand von etwa 6 Stunden überflogen. Die Energieversorgung erfolgt über Solarzellenfelder, mit 3 Batterien und einer elektrisch maximalen Gesamtleistung von 515 Watt.

Datei:Noaa aufbau.jpg

Aufbau des Satelliten der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)

Instrumente der TOVS bzw. ATOVS

Aufschlüsselung des Sensorenpaketes (Advanced) TIROS Operational Vertical Sounder ((A)TOVS)

High Resolution Infrared Radiation Sounder (HIRS)

Das Radiometer besteht aus zwanzig Kanälen, dessen Messstrahlen im infraroten (IR) Spektrum abtasten. Es stellt multispektrale Daten von einem sichtbarem Kanal (0.69 µm), sieben kurzwelligen Kanälen (3.7 bis 4.6 µm) und zwölf langewelligen Kanälen (6.7 bis 15 µm) unter Verwendung eines einzelnen Fernrohrs und eines rotierenden Filterrades zur Verfügung, das zwanzig individuelle spektrale Filter enthält. Daten des HIRS/4, einer Weiterentwicklung des ursprünglichen HIRS, werden in Verbindung mit Daten der AMSU-Instrumente verwendet, um das vertikale Temperaturprofil der Atmosphäre zu erstellen und den Druck von der Erdoberfläche bis in ungefähr 40 km Höhe zu ermitteln. HIRS/4-Daten werden ebenso verwendet um Ozeanoberflächentemperaturen, das atmosphärische Totalozon-Niveau, den Niederschlag, die Wolkenhöhe, Wolkenbedeckungsgrad und die Oberflächenstrahlung zu bestimmen.

HIRS-Kanal	Zentrale Wellenlänge (μm)	Maximum der Gewichtsfunktion (hPa)	Hauptabsorber
1	15.00	30	CO₂
2	14.70	60	CO₂
3	14.50	100	CO₂
4	14.20	400	CO₂
5	14.00	600	CO₂
6	13.70	800	CO₂ / H₂O
7	13.40	900	CO₂ / H₂O
8	11.10	Boden
9	9.70	25	O₃
10	8.30	900	H₂O
11	7.30	700	H₂O
12	6.70	500	H₂O
13	4.57	1000	H₂O
14	4.52	950	N₂O
15	4.46	700	CO₂ / N₂O
16	4.40	400	CO₂ / N₂O
17	4.24	5	CO₂
18	4.00	Boden
19	3.70	Boden
20	0.70	Boden

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Stratospheric Sounding Unit (SSU)

Das Messinstrument ist ein 3-Kanal Radiometer, welches im infraroten (IR) Bereich abtastet. Mit diesem Gerät werden Temperaturmessungen in der oberen Stratosphäre von Strahlungsmessungen aus den drei Kanälen abgeleitet. Mittels einer Druck-Regulationstechnik wird die emittierte Strahlung von Kohlenstoffdioxid in der oberen Erdatmosphäre gemessen. Dadurch wird eine selektive Stahlungsmessung (eine Art Bandpass) erreicht. Alle drei Kanäle weisen die gleiche Frequenz auf, jedoch sind die Zelldrücke unterschiedlich groß, wodurch verschiedene Wichtungsfunktionen erzielt werden.

SSU-Kanal	Zentrale Welle $(cm^{-1})$	Zelldruck (mb)	Druck der Wichtungsfunktion (mb)
1	668	100	15
2	668	35	5
3	668	10	1.5

Das Maximum liegt hier im Höhenbereich 25-50 km. Für jeden Kanal existiert also eine solche gasgefüllte Druckzelle, die sich im optischen Weg des jeweiligen Sensors befindet. Das SSU besteht aus einem einzelnen Teleskop mit einem 10-Grad Beobachtungsfeld (IFOV), welches lotrecht zur Laufbahn des Sub-Satellitenpunktes abtastet. Jede Abtaststrecke besteht aus acht individuellen 4.0 Sekunden Zeitschritten und benötigt eine Gesamtheit von 32 Sekunden, wobei die Zeit für die Rückstellung des Spiegels dabei berücksichtigt ist. Das 10-Grad IFOV hat eine Auflösung von 147 km am Sub-Satellitenpunkt und die Schrittweise produziert Überschneidung von angrenzenden Abtaststrecken von ungefähr 62 km am Fußpunkt. Eine Kalibrierungssequenz beginnt alle 256 Sekunden während sich das Radiometer wendet, wobei es in eine Position gebracht wird, um in den ungehinderten Raum zu blicken. Dabei erfolgt die Kalibrierung mit einem internen Blackbody mit bekannter Temperatur. Diese Kalibrierungsmethode ist synchron mit der des HIRS/2-Instrumentes. Die Abtastrate liegt bei 40 Abtastungen pro Sekunde und ist mit einer Genauigkeit von 12 bit digitalisiert. Somit liegt die Datenmenge des SSU bei 480 bits pro Sekunde.

Microwave Sounding Unit (MSU)

Das vierkanalige Mikrowellenradiometer nimmt in einer Breite von 2348 km und mit einer Auflösung von 105 km (im Subsatellitenpunkt) Daten aus dem 5,5 µm-Sauerstoffband auf, die der Bestimmung eines vertikalen Temperaturprofils der unteren Atmosphäre, bis 20 km Höhe dienen.

MSU-Kanal	Frequenz (GHz)	Maximum der Gewichtsfunktion (hPa)	Hauptabsorber
1	50.31	Boden
2	53.73	700	O₂
3	54.96	300	O₂
4	57.95	90	O₂

Die MSU-Sensoren bestehen aus zwei 4-Zoll-Durchmesser Antennen. Jede dieser Antennen weist ein Beobachtungsfeld von 7.5 Grad auf. Die Antennen tasten schrittweise durch 11 individuelle Erdbeobachtungsschritte alle 1.84 Sekunden ab und benötigen eine Gesamtzeit von 25.6 s zur vollständigen Abtastung einer Strecke. Die Auflösung des Beobachtungsfeldes (IFOV) von 124 km am Sub-Satellitenpunkt erzeugt eine Überschneidung von angrenzenden Abtaststrecken von etwa 115 km. Das MSU-Messinstrument repräsentiert nach einer Integrationszeit von 1.84 s als Ausgabegröße die Helligkeitstemperatur (Strahlungstemperatur). Die Daten sind mit einer Genauigkeit von 12 bit digitalisiert und sind kombiniert mit Fernmessungen und schrittweisen Positionsinformationen,um eine effektive Datenausgabe von 320 bits pro Sekunde zu ermöglichen. Das MSU hat nicht wie das HIRS und SSU eine spezielle Kalibrierungssequenz, sondern besitzt eine Abtaststrecken-interne Datenkalibrierung. Von der letzten Erdbeobachtungsposition bewegt sich der Reflektor 4 Schritte zur Beobachtung des Weltraumes und nachträglich 10 Schritte zur Beobachtung der Erdoberfläche, anschließend kehrt dieser in seine Ausgangsposition zurück, von welcher eine neue Abtaststrecke begonnen wird. Eine solche Abtaststrecke wird in einer Zeit von 25.6 s zurückgelegt.

Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU)

Das AMSU ist ein von Northrop Grumman (ehemals Aerojet; Los Angeles, USA) entwickeltes Mikrowellenradiometer mit 20 Spektralkanälen zur Erfassung von Temperaturprofilen in der Atmosphäre. In Kombination mit HIRS-Daten ist die Ermittlung des Temperaturverlaufs von der Erdoberfläche bis in eine Höhe von 48 km möglich. HIRS arbeitet im infraroten Spektralbereich und liefert Messungen oberhalb von Wolken bzw. aus wolkenfreien Gebieten. Das mikrowellenbasierte AMSU ermöglicht auch unter Bewölkung eine Sondierungen. Darüber hinaus erfolgt die Erfassung von Niederschlag, Schneebedeckung, Meereis und Bodenfeuchte.

Das AMSU besteht aus zwei separaten spektralen Einheiten: AMSU-A und AMSU-B.

Datei:Amsua data.jpg

Beispieldaten des AMSU-A an Bord des MetOp-A

AMSU-A arbeitet mit 15 Kanälen (23-90 GHz) und dient der Erfassung von Temperaturprofilen (AMSU-A1, Kanal 3 bis 14 zwischen 50,3 und 57,29 GHz und Kanal 15 bei 89 GHz) und der Erfassung atmosphärischen Wassers in all seinen Erscheinungsformen (AMSU-A2, Kanal 1 und 2 bei 23,8 bzw. 31,4 GHz). Davon ausgenommen sind kleine Eispartikel, da diese im Mikrowellenbereich transparent sind und nicht erfasst werden können. Ein vollständiger Scan dauert 8 Sekunden. Dabei hat AMSU-A ein FOV (field of view; englisch für Gesichtsfeld eines Sensors) von 3,3° (± 10 % im "half-power point") mit einer räumlichen Auflösung von 50 km im Nadir. Das Scan-Muster und die geometrische Auflösung ergeben eine Streifenbreite von 2,343 km bei einem Orbit von 833 km. AMSU-A erfasst 30 "Earth Views", zwei "Space Views" und zwei Messungen mit dem Ziel des internen Blackbody. An diesem wird mit einem Platin-Widerstand-Thermometer die Temperatur mit einer Genauigkeit von ± 0,1 K erfasst. Diese zusätzlichen Messungen sind notwendig um die Messdaten in Strahlung zu transformieren. Außerdem dienen sie der Kalibrierung des Systems und der Qulaitätskontrolle der Daten. Werden definierte Grenzwerte überschritten gelten die entsprechenden Messungen als fehlerhaft.

AMSU-B ist ein fünfkanaliges Mikrowellenradiometer zur Erfassung von Feuchteprofilen und arbeitet mit zwei Kanälen im Bereich zwischen 89 und 150 GHz und weiteren drei im Bereich der Wasserdampfabsorptionsbanden 183,31 GHz (± 1, ± 3, and ± 7 GHz). AMSU-B umfasst ein FOV von 1,1° (± 10 %). Aller 8/3 Sekunden werden analog zu AMSU-A 90 "Earth Views", vier "Space Views" und vier interne Blackbody-Messungen durchgeführt.

Der Kalibrierungsvorgang beider Systeme ist prinzipiell gleich. Die Strahlung wird aus den gemessenen Werten und den Kalibrierungskoeffizienten,welche sich aus den Blackbody- und Weltraummessungen ergeben, abgeleitet. Die Synchronisation erfolgt aller acht Sekunden.

Das Messsystem AMSU setzt sich aus den folgenden Komponenten zusammen:

Antenne / Antrieb / Kalibrierungssubsystem
Empfänger-Subsystem
Signalverarbeiter-Subsystem
Strukturell / Thermalsubsystem

[2], [3]

Europäische Instrumente/ Instrumente an Bord des MetOp-A

Microwave Humidity Sounder (MHS)

Datei:Mhs data.jpg

Beispieldaten des Microwave Humidity Sounders (MHS) an Bord des MetOp-A

Bestandteil des Sensorenpakets ATOVS des europäischen MetOp-A-Satelliten zur Erfassung vertikaler atmosphärischer Feuchteprofile. Die Sondierung erfolgt im Mikrowellenbereich und ermöglicht so auch Messungen in und unterhalb von Wolken.

Der eurpäische MHS arbeitet mit fünf Spektralkanälen. Es handelt sich um ein Mikrowellenradiometer welches die Atmosphäre scannt und die nach oben gerichtete Mikrowellenstrahlung in bestimmten Frequenzbändern misst. Feuchtigkeit in der Atmosphäre (Eis, Regen, Schnee und Wasserdampf (Wolken)) schwächt die Abstrahlung bzw. den die Atmosphäre durchdringenden Anteil der ausgestrahlten Mikrowellenstrahlung. MHS ordnet anhand der Spektralkanäle die entsprechenden Höhen zu und erstellt eine vertikale Feuchtverteilung.

Es arbeitet in Kombination mit den amerikanischen Instrumenten AMSU-A, Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHHR) und HIRS.

Kanal	Zentrale Frequenz(GHz)	Bandbreite (max., GHz)
1	89	2,8
2	157	2,8
3	183,311	2 x 0,5 (Dual Side Band)
4	183,311	2 x 1,0 (Dual Side Band)
5	190,311	2,2 (Dual Side Band)

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Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI)

Der Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) ist das fortschrittlichste Instrument an Bord des MetOp-A. Es dient der Erstellung vertikaler Temperatur- und Feuchteprofile in der Atmosphäre mit einer nie dagewesenen Genauigkeit und vertikalen Auflösung. Dafür misst der IASI die von der Erdoberfläche emittierte infrarote Strahlung. Die Erfassung weiterer Komponenten wie u.a. Ozon, Spurengase, Wolkentemperatur- und Erdoberflächentemperaturen sollen für ein besseres Verständnis von Zusammenhänge zwischen Klima, Atmosphärenchemie und- verschmutzung behilfich sein.

Der IASI besteht aus einem Fourier-Transformations-Spektrometer basierend auf einem Michelson Interferometer und gekoppelt mit einem weiteren System zur Erfassung der von der Erde emittierten infraroten Strahlung.

Vom Orbit des MetOp-A aus beobachtet das IASI die Erde in bis zu einem Winkel von 48,5°. Das entspricht einer Streifenbreite von 2000 km auf dem Grund. Jedes beobachtete Feld setzt sich aus vier kreisförmigen Pixeln mit einem maximalen Durchmesser von 12 km im Nadir zusammen. Mit regelmäßigen Abständen werden pro Beobachtungsstreifen 30 "Earth Views" und zwei Kalibrierungsmessungen erfasst. Die ankommende Strahlung wird über drei spektrale Kanälen gemessen.

Kanal bzw. Band eins arbeitet im Bereich zwischen 15,5 und 8,26 μm und dient der Erstellung von Temperaturprofilen und für Ozonmessungen. Kanal bzw. Band zwei, im Bereich zwischen 8,26 und 5 μm, und Kanal/Band drei, zwischen 5 und 3,62 μm, geben Informationen über weitere Temperatur- sowie Feuchte- und Spurengasmessungen.

So ermittelt der IASI die Temperatur- und Feuchteprofile in der Troposphäre und der unteren Stratosphäre. Es erreicht dabei eine Genauigkeit von 1 K, eine vertikalen Auflösung von 1 km und einer horizontalen Auflösung von 25 km für die Temperatur. Mit gleicher räumlicher Auflösung und mit einer Genauigkeit von 10 % werden die Feuchtemessungen durchgeführt.

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