Wettersatelliten: Meteosat und andere meteorologische Plattformen

Wettersatelliten: Meteosat und andere meteorologische Plattformen

 

Wettersatelliten sind heute aus der meteorologischen Praxis nicht mehr wegzudenken. Sie liefern einerseits globale Daten über Wind, Wolken, Temperatur, Luftfeuchte und Spurengaskonzentration, erfassen andrerseits aber auch regionale Extremwetterlagen. Zudem dienen sie als Empfangsanlagen für die von bodengebundenen Wetterstationen erhobenen Wetterwerte, die sie an die zentralen Institute weiterleiten. In Europa betreibt die internationale Organisation EUMETSAT seit den 1970er-Jahren Satelliten der Meteosat-Serie, deren Bilder und Messwerte nicht nur der Wissenschaft, sondern auch lokalen und privaten Nutzern zugänglich sind. Nachfolger der Meteosat-Reihe soll der MSG (Meteosat Second Generation) werden. In den USA ist die NOAA die für den Betrieb von Wettersatelliten zuständige Behörde. Bei allem Erfolg konnten Wettersatelliten nur eins bisher noch nicht erreichen: Die Zufriedenheit der Menschen mit dem vorhergesagten Wetter.

 

 Bodenbeobachtungen und Wettersatelliten

 

Sowohl Wettervorhersage als auch Klimaforschung hängen wie kaum eine andere Naturwissenschaft von ständig veränderlichen Daten und damit von einer kontinuierlichen Beobachtung des Wettergeschehens ab. Aufgrund der weiten Ausdehnung und bisweilen großen Geschwindigkeit, mit denen Fronten und Wolken über die Erdoberfläche ziehen, reichen regionale Messstationen dazu allein nicht aus. Erst die Kombination aller gemessenen Werte zeigt Lage und Veränderung von Fronten, von Hochs und Tiefs, von Sonne, Regen oder Schnee und ermöglicht eine Prognose ihrer Veränderungen.

 

Ein Netz von Beobachtungsstationen überzieht die Erdoberfläche und liefert ständig Messwerte wie Luftfeuchtigkeit, Niederschlagsmenge, Temperatur, Windstärke, Windrichtung und Ähnliches an die nationalen Wetterdienste. Sie tauschen die Daten mit anderen Diensten aus und erzeugen Wetterprognosen, die schließlich über Zeitungen, Rundfunk und Fernsehen sowie im Internet verbreitet werden.

 

Seit den Sechzigerjahren werden diese erdgebundenen Beobachtungen durch Wettersatelliten ergänzt. Diese liefern, je nach Umlaufbahn und Instrumentierung, Bilder der gesamten Erde oder einzelner Regionen, aus denen sich direkt die Lage von Wolkensystemen ablesen lässt. Moderne Wettersatelliten besitzen Instrumente, welche die Erdoberfläche nicht nur im Bereich des sichtbaren Lichts, sondern auch im Infraroten, also im Bereich der Wärmestrahlung, abtasten. Dadurch lassen sich Windstärke und Windrichtung ermitteln, und der Gehalt an Wasserdampf und die Temperatur in unterschiedlichen Wolkenschichten können bestimmt werden. Daraus wiederum ergibt sich beispielsweise die erwartete Niederschlagsmenge in einem Vorhersagegebiet.

 

Neben solchen kontinuierlichen Beobachtungen des Wettergeschehens zeigen die Aufnahmen von Wettersatelliten auch Extremwetterlagen, zu denen beispielsweise starke Gewitter oder Taifune gehören. Die Analyse von Stärke und Zugrichtung solcher Unwetter ermöglicht oft die rechtzeitige Warnung gefährdeter Gebiete, sodass die dort lebenden Menschen Vorkehrungen treffen und eventuell evakuiert werden können.

 

Alle Wetterdaten sowie die von der Erde in den Weltraum reflektierte Strahlung sind schließlich auch Elemente der Klimaforschung, die versucht, langfristige Aussagen über die Klimaentwicklung der Erde zu treffen. Seit Ende der 1970er-Jahre entdeckt wurde, dass die vor solarer UV-Strahlung schützende stratosphärische Ozonschicht über den Polen, vor allem der Antarktis, zunehmend dünner wird, hat man neue Wettersatelliten auch zur Beobachtung dieses Phänomens gestartet. Nimmt der Ozonabbau in der Atmosphäre zu und breiten sich die »Ozonlöcher« über die Kontinente aus, könnten in der Zukunft auch kurzfristige Warnungen vor erhöhter UV-Strahlung zu den Aufgaben der Wettersatelliten gehören.

 

 Ein weltumspannendes Netz im All

 

Fast alle Staaten, die in der Lage sind Satelliten in den Weltraum zu starten, betreiben Wettersatelliten oder haben zumindest irgendwann einen solchen Satelliten in eine Erdumlaufbahn — auch Orbit genannt — gebracht. Wettersatelliten befinden sich normalerweise auf geosynchronen oder niedrigen polaren Orbits.

 

Geosynchrone Bahnen befinden sich in einer Höhe von etwa 36 000 Kilometern über der Erdoberfläche. Ein auf solch einer Bahn eingesetzter Satellit benötigt genau 24 Stunden für einen Erdumlauf und scheint daher vom Erdboden aus gesehen immer an derselben Stelle des Himmels zu stehen. Man bezeichnet diese Bahnen daher oft auch als geostationär. Da neben Wettersatelliten auch viele Kommunikations- und Fernsehsatelliten in solche Umlaufbahnen eingebracht werden, wird an manchen Satellitenpositionen bereits der Platz recht eng. Satelliten haben eine begrenzte Betriebsdauer von etwa zehn Jahren, danach müssen sie aus ihrem Orbit entfernt werden, um einem Nachfolger Platz zu machen. Nicht nur für die »Entsorgung«, auch für kleinere Bahnkorrekturen, die immer wieder notwendig sind, besitzt ein Wettersatellit einen kleinen Raketenmotor und einen geringen Treibstoffvorrat.

 

In einer geosynchronen Bahn überblickt ein Satellit immer denselben Ausschnitt der Erdoberfläche. Damit die gesamte Erde beobachtet werden kann, müssen daher mehrere Satelliten in passend gewählte Umlaufbahnen gebracht werden. Im weltweiten Satellitennetz decken amerikanische Satelliten das Gebiet vom Zentralpazifik bis zum Westatlantik ab, während europäische Satelliten Europa und Afrika im Blickfeld haben. Über dem Indischen Ozean bestand bis vor kurzem eine Beobachtungslücke, die erst seit jüngster Zeit durch geostationäre Satelliten abgedeckt wird. So befindet sich ein japanischer Satellit bei 140 Grad östlicher Länge, ein russischer und ein indischer Satellit stehen bei 76 beziehungsweise 74 Grad östlicher Länge.

 

In der Regel wird jede Satellitenposition von mindestens zwei Satelliten besetzt. Einer dieser orbitalen »Wetterfrösche« führt dabei die laufenden Beobachtungen durch, der zweite dient als Reserve bei Störfällen. Endet die nominelle Lebensdauer des ersten Satelliten, werden die Aufgaben getauscht. Ist schließlich der Ersatz des zweiten Satelliten in der Umlaufbahn angekommen, kann der erste Satellit Lücken im Beobachtungsnetz füllen oder dient als kurzfristiger Ersatz für ausgefallene Satelliten, die keine funktionsfähige Reserve besitzen.

 

Satelliten auf polaren Bahnen laufen aufgrund der Bahnhöhe von etwa 1 000 Kilometern in wenigen Stunden um die Erde, haben also immer einen anderen Ausschnitt der Erdoberfläche im Visier. Sie besitzen eine ähnliche Instrumentierung wie geosynchrone Satelliten. Ihre Bahn ermöglicht insbesondere Detailbeobachtungen von potenziell gefährlichen Wetterlagen, führt aber auch dazu, dass solche Regionen derzeit höchstens zweimal am Tag von einem Satelliten ins Kameraauge gefasst werden können. Geosynchrone Satelliten liefern dagegen alle 15 bis 30 Minuten ein neues Bild der Erde.

 

 Europäische Zusammenarbeit — EUMETSAT

 

Die europäischen Staaten betreiben mit den geostationären Satelliten der Meteosat-Reihe seit 1977 ein gemeinsames Satellitenprogramm. Bereits mit dem Start von Meteosat 1 begann man auch über eine gemeinsame Organisation nachzudenken, deren Aufgabe der Betrieb solcher Satelliten sein sollte. Aus diesen Überlegungen ging nach langwierigen Diskussionen 1986 die EUMETSAT (European Meteorological Satellite Organisation) hervor, die ihren Sitz in Darmstadt hat.

 

In der EUMETSAT sind mittlerweile siebzehn europäische Staaten sowie die Kooperationspartner Slowakei und Ungarn (seit Dezember 1999 auch Polen) zusammengeschlossen. Hauptaufgabe der Organisation ist der Betrieb der Satelliten. Dies umfasst nicht nur die technische Pflege der Satelliten in der Umlaufbahn — soweit dies vom Erdboden möglich ist —, sondern auch den Empfang der Daten, ihre Archivierung und Speicherung, ihre Aufbereitung und schließlich ihre Weiterleitung an die nationalen Wetterdienste. Hinzu kommen Planung und Startvorbereitung neuer Satelliten, damit auch in Zukunft eine flächendeckende Beobachtung des europäischen Wetters gewährleistet ist.

 

Meteosat

 

Das Arbeitspferd der europäischen Wetterbeobachter ist die Meteosat-Reihe, die mit dem ersten Start 1977 ihre Arbeit aufnahm. Alle Satelliten dieser Reihe befinden sich über dem Schnittpunkt von Nullmeridian und Äquator, also über dem Ostatlantik vor der afrikanischen Küste. Von dort aus haben sie ständig Afrika, Europa und den Ostatlantik sowie Teile Vorderasiens im Blickfeld.

 

Meteosat 1 fiel schon nach zwei Jahren aus; das von ihm gelieferte Datenmaterial war jedoch so gut, dass ein Nachfolgesatellit sofort geplant und 1981 als Meteosat 2 gestartet wurde. Damals lag die Betreuung des Satelliten noch bei der europäischen Raumfahrtorganisation ESA (European Space Agency), denn die Gründungsverhandlungen für EUMETSAT hatten erst begonnen. Durch die Verwendung eines im Prinzip funktionsfähigen Ingenieurmodells konnten bei der Entwicklung von Meteosat 3 bereits am Boden viele Funktionsstörungen des im Orbit befindlichen Satelliten Meteosat 2 untersucht werden. Sofort nach seinem Start im Jahr 1988 wurde er als Ersatz für den schon altersschwachen zweiten Satelliten eingesetzt und diente ab 1989 als Reserve für Meteosat 4. 1993 und 1994 folgten schließlich der fünfte und sechste Satellit der Reihe und 1997 der siebte und vorläufig letzte. Während Meteosat 1 noch mit einer amerikanischen Rakete gestartet wurde, erfolgte ab Meteosat 2 der Start mit Ariane-Trägerraketen vom europäischen Raumfahrtzentrum Kourou in Französisch-Guayana (Südamerika).

 

All diese Satelliten haben prinzipiell denselben Aufbau: Sie bestehen aus drei übereinander gesetzten Zylindern mit jeweils kleinerem Radius. Der schmalste Zylinder enthält die Primärantenne, welche die Daten an die Erde sendet. Der mittlere Zylinder enthält Empfangs- und Sendeantennen und dient zur Verbreitung der bei EUMETSAT aufbereiteten Satellitendaten. Im äußersten Zylinder befindet sich schließlich ein Radiometer, welches elektromagnetische Strahlung in drei verschiedenen Spektralbereichen aufnimmt.

 

Der Satellit dreht sich mit einer Geschwindigkeit von 100 Umdrehungen pro Minute um seine eigene Achse und tastet dabei die Erde mit dem Radiometer zeilenweise ab. Dieses Instrument besteht im Wesentlichen aus einer Kameraoptik, mehreren Spiegeln und Filtern sowie schmalen Streifen von Halbleiterdetektoren, welche die aufgefangene Strahlung in elektrische Signale umwandeln. Jedes Mal, wenn das Radiometer die Erde überstreicht, wird dabei ein anderer Streifen der Erdoberfläche abgetastet, wodurch die Aufnahme eines kompletten Bildes etwa eine halbe Stunde dauert.

 

Der kurzwelligste Spektralbereich, der von Meteosat überwacht wird, liegt bei Wellenlängen zwischen 0,5 und 0,9 Mikrometern (grünes, gelbes und rotes Licht sowie nahes Infrarot), über ihn werden sichtbare Bilder der Erde empfangen. Der Bereich zwischen 5,7 und 7,1 Mikrometern (Infrarotbereich) liefert Informationen über den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre in einer Höhe zwischen fünf und zehn Kilometern. Aus der zeitlichen Entwicklung dieser Messwerte lassen sich beispielsweise Höhenwinde bestimmen, die für den Flugverkehr von Bedeutung sind. Der Spektralbereich zwischen 10,5 und 12,5 Mikrometern (fernes Infrarot) dient schließlich zur Temperaturbestimmung von Wolken oder der Meeresoberfläche.

 

Datenaufbereitung

 

Die Rohdaten werden zunächst an die EUMETSAT-Zentrale gesendet und dort aufbereitet. Dabei wird zunächst der Einfluss der Erdkrümmung korrigiert, denn Europa ist von einem Punkt über dem Äquator aus nur stark verzerrt zu erkennen. Die prinzipiell erreichbare räumliche Auflösung von fünf Kilometern im Infraroten und 2,5 Kilometern im sichtbaren Spektralbereich wird dadurch deutlich verschlechtert. Besonders für die europäischen Wetterdienste und die öffentlichen Wettervorhersagen werden die Bilder entzerrt, mit geographischen Markierungen versehen und entweder in digitaler Form und verschlüsselt (für primäre Benutzer, etwa meteorologische Stationen) oder analog und unverschlüsselt (für sekundäre Benutzer, etwa Privatleute) an Meteosat zurückgesendet. Von dort werden sie schließlich über die Antennen im mittleren Zylinder an dafür eingerichtete Stationen auf der Erde verbreitet.

 

Durch dieses doppelte Versenden der Daten wird EUMETSAT von der Aufgabe entlastet, die Daten direkt an alle interessierten Benutzer zu senden. Meteorologische Stationen im gesamten Sendebereich von Meteosat können die Daten mit normalen Parabolantennen und speziellen PC-Steckkarten frei empfangen, wobei die Meteorologen auch gleich alle Daten wie Windgeschwindigkeit, Luftfeuchte und Ähnliches erhalten. Sekundäre Nutzer können sich oft mit einfacheren Systemen begnügen, in denen nur die Bilder umgesetzt werden.

 

Second Generation

 

Von der ersten Meteosat-Reihe muss sich Europa verabschieden, Meteosat 7 war der letzte dieser Satelliten. Ab 2000 wird die MSG (Meteosat Second Generation) in das Weltall geschossen. 2002 soll der zweite Satellit dieser neuen Reihe und etwa 2005 der dritte in der Umlaufbahn auftauchen. Damit soll bis 2012 eine kontinuierliche Durchführung der europäischen Wetterbeobachtung gewährleistet sein.

 

Der prinzipielle Aufbau der MSG-Satelliten ist dem der heutigen Meteosat-Satelliten sehr ähnlich. Die Rotationsfrequenz von 100 Umdrehungen pro Minute wurde ebenfalls beibehalten. Allerdings enthalten sie neue Instrumente und benötigen dadurch mehr Strom, der durch größere Solarzellenfelder auf der Oberfläche bereitgestellt wird. Die MSG-Satelliten werden in der Lage sein, die Erde in zwölf unterschiedlichen Kanälen abzutasten, wobei alle fünfzehn Minuten ein neues Bild der Erde entsteht. Daneben beobachten sie die von der Erde reflektierte Strahlung, aus der eine globale Energiebilanz und damit die für Klimamodelle wichtige Erwärmung der Erde abgeleitet wird.

 

Eine wesentliche Änderung gegenüber den herkömmlichen Meteosat-Satelliten ist auch das SR-Modul, diese Abkürzung steht für »Search and Rescue«. Das Modul dient zum Empfang von Notsignalen, die zusammen mit anderen Satelliten eine genauere Ortung von Schiffbrüchigen und Notfallsendern ermöglicht.

 

Allerdings werden bisherige Endbenutzer ihre Anlagen für den Empfang digitaler Daten umrüsten müssen. Es wird zwar wie bisher primäre und sekundäre Benutzer geben, beide erhalten jedoch künftig digitale Daten. Der Unterschied wird lediglich in verschieden hohen Datenflussraten bestehen. Daher benötigen private Nutzer in Zukunft außer einer Satellitenantenne auch einen Decoder, welcher den digitalen Datenstrom aufnehmen und in Bilder umsetzen kann.

 

Metop

 

Etwa ab 2003 wird EUMETSAT auch im Bereich der polaren Satelliten aktiv werden. Mit insgesamt drei als Metop bezeichneten Satelliten, die in eine polare Umlaufbahn in 800 Kilometer Höhe transportiert werden, sollen Windgeschwindigkeit und Windrichtung an der Meeresoberfläche, Temperatur und Luftfeuchte in der unteren Atmosphäre sowie die Konzentrationen atmosphärischer Spurengase untersucht werden. Zusammen mit den entsprechenden amerikanischen und russischen Satelliten auf niedrigen polaren Bahnen lassen sich so Risikowetterzonen und die generelle Klimaentwicklung besser beobachten.

 

 NOAA

 

Die amerikanische Entsprechung der EUMETSAT ist die NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), eine Behörde, welche zusammen mit der NASA Wettersatelliten betreibt. Dabei decken die USA, bedingt durch die breite geographische Ausdehnung ihres Territoriums, gleich zwei Satellitenpositionen ab und ermöglichen Wetterbeobachtungen vom mittleren Pazifik bis zum Westatlantik. Die wichtigste Plattform der NOAA sind die geostationären GOES-Satelliten, deren zehnter 1997 in eine Umlaufbahn gebracht wurde. Er wird auf der westlichen Position, als GOES-W bezeichnet, bei 135 Grad westlicher Länge eingesetzt (die als GOES-E bezeichnete östliche Position liegt bei 75 Grad westlicher Länge).

 

Die zwei Hauptinstrumente dieser Satelliten sind der Imager, der in fünf spektralen Kanälen infrarote und optische Daten des Wettergeschehens liefert, sowie der Sounder, ein Radiometer, das in neunzehn Kanälen ergänzende Messungen durchführt. Daneben tragen die GOES-Satelliten noch Magnetometer und Röntgendetektoren, unter anderem zur Untersuchung von solaren Einflüssen auf die Magnetosphäre der Erde. Sie messen beispielsweise die Konzentration des von der Sonne ausgehenden Teilchenstroms, des Sonnenwinds. Steigt die Teilchendichte aufgrund von solaren Eruptionen drastisch an, kann dies aufgrund zusätzlicher elektrischer Ströme Satellitenstörungen verursachen, die bis zum Totalausfall reichen. Man bezeichnet diese Phänomene neuerdings als Weltraumwetter, auch hier sind Vorhersagen möglich und für die Satellitenbetreiber von großer Wichtigkeit.

 

Literatur:

 

Wie funktioniert das? Wetter und Klima, herausgegeben von Meyers Lexikonredaktion (Mannheim 1989)

 Helmut Malewski: Zum Thema Wetter (Thun 1996)

 Berthold Wiedersich: Das Wetter (Stuttgart 1996)

 Hans Häckel: Farbatlas Wetterphänomene (Stuttgart 1999)

 Nico Stehr: Klima, Wetter, Mensch (München 1999)