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Die Überflieger

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 16.10.2013 17:46

Satelliten sind als wichtiges Messinstrument längst etabliert. Sie eröffnen neue Perspektiven und liefern in Sekundenbruchteilen präzise Daten. Neben der alltäglichen Nutzung, etwa zur Navigation im Straßenverkehr, lassen sich Satellitendaten in verschiedensten Bereichen der Forschung, der Industrie, dem Militär, im Katastrophenschutz und in der Nachrichtentechnik einsetzen.

Der Satellit GOCE misst das Schwerefeld der Erde. (Bild: ESA)Ob es sich um Tsunamis wie den des Jahres 2004 in Japan handelt, Erdbeben oder den Tornado, der kürzlich Oklahoma verwüstete: Durch Satelliten lassen sich die Vorboten und Nachwirkungen von derartigen Naturkatastrophen präzise registrieren. Als die Erde am 11. März 2011 in Japan bebte, konnte der Satellit GOCE noch hoch im All die Erschütterungswellen der mit einer Magnitude von 9 sehr starken Erdstöße erfassen. Kein Wunder, dass Satelliten längst zu einem wichtigen Bestandteil von Frühwarnsystemen und Rettungsmaßnahmen geworden sind. Zuletzt war dies beispielsweise im Zuge der Überschwemmungen im Norden Indiens und in Nepal im Juni dieses Jahres zu beobachten, als Aufnahmen des Radarsatelliten TerraSAR-X vom DLR zur besseren Planung der Evakuierungen an indische Behörden weitergeleitet worden waren.

Dabei ist Satellit nicht gleich Satellit. Raumflugkörper, die die Erde auf einer Umlaufbahn umkreisen, werden künstliche Satelliten genannt. Kreisen sie hingegen um andere Körper im Weltraum, heißen sie Orbiter. Natürliche Satelliten sind dagegen Monde oder Trabanten, die einen Planeten umkreisen. So ist der Mond, den wir jede Nacht sehen, der größte natürliche Satellit der Erde.

Aus vielen Satellitenaufnahmen zusammengesetztes Bild der Erde. (Bild: NASA)Es gibt eine Vielzahl an künstlichen Satelliten mit unterschiedlicher Ausrüstung und Aufgaben, die unseren Planeten umkreisen. Dazu gehören sogenannte Erdbeobachtungssatelliten wie Wetter-, Umwelt- und Militärsatelliten, die meistens mit Radar und optischen Sensoren arbeiten. Kommunikationssatelliten dienen der Übertragung von Informationen wie zum Beispiel Fernsehprogrammen oder werden im Bereich des Amateurfunks genutzt. Navigationssatelliten finden ihren Einsatz in der Ortsbestimmung, dem Endanwender bestens bekannt durch den täglichen Einsatz von GPS-Geräten. Forschungssatelliten wie Astrometrie-Satelliten sind künstliche Erdtrabanten, die der astrometrischen Forschung dienen. Sie erledigen Aufgaben wie die Messung und Berechnung von Gestirnspositionen und ihrer Bewegungen in genau definierten Bezugssystemen. Da sie sich weit von der Erde entfernt befinden, sind ihre Messungen frei von störenden terrestrischen Einflüssen, wie etwa dem Schwerefeld und dem Magnetismus unseres Planeten.

Einsamer Außenposten im Weltraum

Satelliten gelangen an Bord von Raketen in ihre vorgesehene Einsatzhöhe. Dort werden sie abgekoppelt und von nun an über Steuerdüsen navigiert. Haben sie ihre Umlaufbahn erreicht, schicken sie ihre Messergebnisse zur Auswertung an Empfangsstationen auf der Erde. Meist bleiben sie für den gesamten Einsatzzeitraum in derselben Umlaufbahn. Generell gilt: Je näher die Umlaufbahn der Erde ist, umso höher ist die Geschwindigkeit. So können Satelliten bei einer Entfernung von 700 Kilometern von der Erdoberfläche eine Geschwindigkeit von bis zu 27.500 Stundenkilometern erreichen. Satelliten, die immer über demselben Ort der Erde fliegen, nennt man geostationäre Satelliten. Sie liegen auf einer Umlaufbahn von knapp 36.000 km über dem Äquator und liefern so einen globalen Überblick über Prozesse auf der Erde. Die Umlaufbahnen nicht-stationärer Forschungssatelliten liegen weitaus tiefer, in nur einigen hundert km Höhe. Da sie näher am Wettergeschehen sind, können sie deutlich präzisere Daten sammeln.

Unzählige aktive und inaktive Satelliten umkreisen die Erde. (Bild: ESA)Schätzungen zufolge wurden seit dem ersten Satelliten „Sputnik“ im Jahr 1957 ca. 20 000 Satelliten ins All gebracht. Über die Entsorgungsmöglichkeiten der ausgedienten Beobachtungsposten machte man sich damals noch nicht viele Gedanken. Weltraumschrott, dazu gehören alte Satelliten, Bruchstücke von zerstörten Satelliten, Raketen und anderem Raumfahrtequipment, die in vielen Umlaufbahnen weiter um die Erde kreisen, sind eine ernst zu nehmende Gefahr. Die funktionsunfähigen künstlichen Himmelskörper können bei Kollisionen in viele kleine Stücke zerbrechen, die durch ihre hohe Geschwindigkeit eine enorme Durchschlagskraft erreichen und deswegen zu einer Bedrohung für funktionierende Satelliten und die Raumfahrt werden können. Um das zu vermeiden, lässt man ausgediente Satelliten heutzutage in die Erdatmosphäre absinken und verglühen oder hebt sie auf sogenannte Friedhofsorbite, die außerhalb der stark genutzten Umlaufbahnen liegen.

Vielfalt im Satelliteninneren

Die Technik hat sich seit Sputnik rasant weiterentwickelt. War der erste Satellit lediglich mit Temperaturmessern und zwei Antennenpaaren ausgerüstet, über die Radiowellen übermittelt wurden, verbringen heutige Satelliten bis zu 15 Jahre im All und arbeiten je nach Einsatzbereich mit digitalen Kameras, Radiometern, Spektrometern und Radarsystemen.

Die bei Frühwarnsystemen zum Einsatz kommenden Satelliten stammen meist aus der Erdbeobachtung. Sie zeichnen Wetterphänomene und die Dynamik der Erdoberfläche etwa mit Radaraufnahmen, Schwerefeld- und Altimetermessungen auf und unterstützen die Forscher am Boden bei der Vorhersage und im Katastrophenmanagement von Naturgefahren. Ihre Vorteile liegen auf der Hand: Bei Erdbeben lässt sich das Gesamtmaß der Katastrophe am schnellsten durch Aufnahmen aus der Luft ausmachen und Hilfseinsätze können durch ihre Information besser geplant werden. Informationen über Vulkanausbrüche in entlegenen Orten lassen sich oft nur aus Satellitenbildern gewinnen. Die Bilder der Aschewolke, die Vulkane ausstoßen, sind wichtig, um den Flugverkehr zu regeln, das Ausmaß der Katastrophe abzuschätzen und mögliche Rettungs- und Evakuierungswege schnell auszumachen.

Satelliten spielen bei Tsunami-Frühwarnsystemen eine wichtige Rolle. (Bild: GFZ)In der Satellitentechnik spielt die aktive Fernerkundung mittels Radar eine wichtige Rolle, da sie sehr genaue Werte über die Oberflächenstruktur der Erde liefert und ungehindert die Wolkendecke durchdringen kann. Die Messgenauigkeit liegt hierbei im Bereich weniger Zentimeter; somit sind sogar geringste Erdverschiebungen messbar. Diese Methode wird derzeit zur Entwicklung von Erdbeben-Frühwarnsystemen weiter erforscht. Erste Anzeichen von Erdbeben, wie Hebungen oder Senkungen geologischer Einheiten, können bereits mit Hilfe von Satelliten erfasst werden. Dazu tasten sie mit Radarstrahlen die Erdoberfläche ab oder vermessen das Erdmagnetfeld. Ein anderer Ansatz der Frühwarntechnologie beruht auf der Messung der freiwerdenden Wärme- bzw. Infrarotstrahlen durch das berstende Gestein. Außerdem lassen sich auf den Aufnahmen von Schwerefeld- und Altimetersatelliten, die die Umverteilung von Masse aufzeichnen, Vorzeichen von Naturgefahren wie Wasserspiegeländerungen und tektonische Prozesse erkennen. Konkrete Verbesserungen der Frühwarnung durch den Einsatz von Satelliten sind aktuell in der Tsunami-Forschung zu erwarten. Die bisherigen Bodenmessungen reichen nicht aus, um global vor Tsunamis zu schützen. Darum ist geplant, Infraschallmessstationen auf der Erde künftig durch Infraschallmessungen via Satellit zu ergänzen. Da sich der Schall schneller ausbreitet als die Flutwelle eines Tsunamis, so die Hoffnung, könnte sich die Vorwarnzeit durch den Einsatz von Satelliten enorm verkürzen.

Besonders genaue Daten aus dem All liefern bereits heute die von den GEOTECHNOLOGIEN geförderten Projekte im Rahmen der Weltraummissionen GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) und GOCE (Gravity Field and steady state Ocean Circulation Explorer). Sie vermessen das Schwerefeld der Erde, das Erdmagnetfeld und seine Veränderungen mit großer Genauigkeit und in hoher Auflösung. Ihre Aufnahmen liefern die meteorologische Basis für Ozeanographie, Klimatologie, Glaziologie, Globalen Wandel, Geophysik und die Gefahrenprävention.
Einen grundlegenden Vorteil haben Satellitendaten nicht zuletzt im Vergleich zu lokal erhobenen und verwalteten Messdaten: Sie lassen sich an nahezu jedem Ort auf der Erde abrufen und analysieren. So fördern sie die internationale Zusammenarbeit der Geowissenschaftler, deren Analysen nicht an Staatsgrenzen halt machen können – genauso wenig wie die Folgen von Naturkatastrophen.

SMM, iserundschmidt 08/2013


Im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Forschungsschwerpunkts Erfassung des Systems Erde aus dem Weltall III wird aktuell vornehmlich die Satellitentechnik und Datenauswertung der Magnet- und Schwerefeldmessungen anhand der laufenden Satellitenmissionen GRACE und GOCE weiterentwickelt.