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Feuerspäher im All

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 19.07.2012 17:14

Jahr für Jahr werden weltweit mehr als 200.000 Quadratkilometer Wald ein Raub der Flammen, was in etwa der Fläche der alten Bundesrepublik entspricht. Die Brände gefährden nicht nur Siedlungen und Ökosysteme, sie belasten auch die Atmosphäre, weil sie fast ein Drittel aller Kohlendioxid-Emissionen verursachen. Durch den Klimawandel wird die Zahl der Wald- und Buschbrände noch ansteigen, nicht zuletzt in den ebenso endlosen wie menschenleeren Gebieten Sibiriens und Kanadas. Brände bekämpft man am besten, solange sie noch relativ klein sind, doch auf den Millionen von Quadratkilometern borealen Waldes versagt jedes bodengestützte Frühwarnsystem.

Der deutsche Minisatellit TET-1 dient vor allem der Technologieerprobung. Ab dem zweiten Jahr soll er für die Feuerbeobachtung eingesetzt werden (© DLR).Satelliten jedoch wären genau die richtigen Instrumente, um über diesen großen Gebieten Brandwache zu fliegen - und die großen amerikanischen Erdbeobachtungssatelliten Terra und Aqua haben zum Beispiel auch mit Modis ein Beobachtungsinstrument an Bord, das Buschbrände erkennt. Doch seine Auflösung ist mit einem Quadratkilometer pro Pixel so grob, dass Feuer schon relativ groß geworden sein müssen, um sich bemerkbar zu machen. Zehn Megawatt Energieleistung oder eine Brennfläche von 200 Quadratmetern ist das Minimum, um die Aufmerksamkeit von Modis zu erregen.

Die Lücke wird das deutsche Firebird-Tandem füllen - zumindest versuchsweise. Die zwei Minisatelliten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sind ein Testprojekt für Feuerüberwachungssatelliten und sollen ab Ende 2013 als Konstellation, also im Formationsflug, in 570 Kilometern Höhe die Erde umkreisen. Beide Zwergorbiter verfügen über eine 25 Mal bessere Auflösung als das amerikanische Modis-Instrument, ein Pixel ihrer Infrarot-Kameras umfasst nur 200 mal 200 Meter auf der Erdoberfläche, weshalb das Duo nach DLR-Angaben Feuer bis hinunter zu einem Megawatt Energieleistung erkennen kann. Die Instrumente bauen auf dem Kleinsatelliten Bird auf, den das DLR 2001 in den Orbit schoss und der damals schon Osterfeuer in Bayern lokalisieren konnte.

Waldbrand in Kanada. Die jährlich abgebrannten Flächen wie auch die durchschnittliche Größe der Feuer könnten künftig deutlich steigen (Foto: Scott Latham/Fotolia). 
Den Anfang macht am Sonntag TET-1, der Technologieerprobungsträger 1. "Wie der Name schon sagt", erklärt Gernot Rücker, Geschäftsführer der Beratungsfirma Zebris, "ist das ein experimenteller Satellit, auf dem mehrere Experimente laufen werden. Eines davon ist Feuer, andere Experimente haben nichts mit Feuerfernerkundung zu tun." TET-1 wird im ersten Jahr diese anderen Experimente durchführen und nur ab und zu Zeit für die Feuerbeobachtung haben. "Ab dem zweiten Jahr wird Feuerfernerkundung das primäre Missionsziel des Satelliten sein", sagt Eckehard Lorenz vom DLR in Berlin. Zu TET-1 gesellt sich dann der zweite Satellit namens Biros und beide werden auf leicht versetzten Flugbahnen alle 90 Minuten die Erde umrunden und Beobachtungen über Feuer und Feueremissionen sammeln. Beide Satelliten können zudem ihre Kameras schwenken und so einen breiteren Streifen unterhalb ihrer Flugbahn absuchen; Experten sprechen von "swath".

Eine riesige Wolke aus Rauch (weiß und grau) und Smog (rot und grün) trieb im Herbst 1997 von Indonesien westwärts. Die Infrarotsensoren an Bord messen die Wärmestrahlung der Erdoberfläche in zwei Wellenbändern. Wie bei dem Vorgängersystem Bird soll auch Firebird bereits kleine Feuer wahrnehmen können. Dazu haben die Satelliten aber auch Kameras an Bord, die im sichtbaren Bereich des Lichts aufnehmen, und das sogar mit einer Auflösung von 45 mal 45 Metern. So kann man zum Beispiel die Rauchentwicklung bestimmen, was etwa bei Schwelbränden sinnvoll ist, die nur wenig Energie freisetzen, im Infrarotspektrum also eher unauffällig sind. Dafür sind die Rauchwolken im optischen Spektrum umso auffälliger. Das deutsche Satellitenpärchen kann so nicht nur Schwelbrände entdecken, sondern auch die in manchen Waldgebieten der Tropen besonders gern angewandte Brandrodung beobachten. "Das ist wichtig, weil man gerade erst im Rahmen der Protokolle zum Klimaschutz sehr intensiv über Kompensationszahlungen für vermiedene Entwaldung spricht", sagt Gernot Rücker, "und Entwaldung geht in den Tropen meistens einher mit Feuer." Wer Feuer erkennen kann, kann somit auch die Entwaldung verfolgen, ein für Kompensationszahlungen wichtiges Kontrollinstrument.

TET-1 wird den Äquator auf jedem seiner Orbits um 11:30 Uhr lokaler Zeit überfliegen, Biros zwei Stunden später. Das stimmt fast mit den Umlaufbahnen der beiden amerikanischen Modis-Satelliten Terra und Aqua überein, die um 10:30 Uhr und 13:30 Uhr den Äquator überfliegen. Für die Feuerbeobachtung ist das ein gut gewählter Zeitpunkt. "Feuer haben einen charakteristischen Tagesgang", berichtet Gernot Rücker, "die Feuerintensität ist meistens zu den Mittagsstunden und den frühen Nachmittagsstunden am höchsten und erreicht in den frühen Morgenstunden ihr Minimum." Dass die amerikanischen und deutschen Satelliten immer kurz hintereinander einen Punkt überfliegen, wird aber auch zur Überprüfung der Instrumente genutzt. "Wir haben ein Abkommen mit dem US-Wetterdienst NOAA zur Datenvalidierung geschlossen", sagt DLR-Mitarbeiter Lorenz. Die Messungen der kurz hintereinander passierenden Satelliten werden miteinander verglichen, damit man die jeweiligen Instrumente eichen und ihre Zuverlässigkeit überprüfen kann.

2001 startete das DLR den deutschen Versuchssatellit BIRD. Auch heute sucht er noch nach Waldbränden.Das deutsche Test-Tandem soll überdies ausprobieren, wie gut die Vorverarbeitung der Messdaten an Bord des Satelliten funktioniert. "Da werden eben die sehr umfangreichen Bilddaten an Bord prozessiert, und was dann zu Boden geschickt wird, ist nur ein sehr kleines Datenvolumen, was grundsätzlich auch im Feld empfangen werden und Feuermanagern helfen kann", sagt Zebris-Experte Gernot Rücker. Grundsätzlich ist der Datenkanal zwischen Satellit und Bodenstation der Flaschenhals, der den Datenstrom aus dem Orbit beschränkt. Je mehr sich Firebird auf die wesentlichen Daten beschränkt, umso flüssiger kann dieser essentielle Datenstrom dann auch fließen. "Damit hat man bei Bird schon experimentiert", erklärt Rücker, "das soll jetzt mit dieser Firebird-Konstellation demonstriert werden."

Dass Feuerwehren im Feld die Daten unmittelbar vom Feuerbeobachtungssatelliten empfangen, wie Navigationssysteme die ihren von den GPS-Satelliten, ist allerdings ferne Zukunft. Viel wahrscheinlicher dürfte sein, dass die Bodenstationen die ihnen übermittelten Daten über die Funknetze an die Feuerwehren vor Ort senden. Doch dafür muss erst einmal das Netz der Bodenstationen organisiert werden. Zunächst wird nur die DLR-Bodenstation in Neustrelitz in Mecklenburg auf Empfang stehen. Schon allein das verhindert eine Fast-Echtzeit-Datenübermittlung vom Satelliten zur Feuerwehr. Theoretisch könnte das in 20 Minuten passieren, aber nur dann, wenn der Satellit gerade im Empfangsbereich von Neustrelitz ist. "Bei Bränden in Nordschweden ginge das", so Eckehard Lorenz. Bei allen anderen müssen die Leute vor Ort warten, bis die Satellitenbahn wieder über Mecklenburg führt. "Das DLR verhandelt deshalb mit Partnern auf der ganzen Welt, um die Zahl der Bodenstationen zu erhöhen", meint Lorenz.

Auch ohne Netz von Bodenstationen sind die Daten des Satellitenpärchens interessant für die Wissenschaft, denn da kommt es nicht so sehr auf sofortige Verfügbarkeit an. "Wir haben Kontakt zu Stellen in Mexiko und Australien", erläutert Eckehard Lorenz. Auch im südlichen Afrika sitzen Interessenten, die die Firebird-Daten für ihre Zwecke nützen möchten und deshalb sogar extra Brände legen, um die Kameras zu eichen. Firebird soll damit beweisen, dass mit seiner Hilfe die Menge an Treibhausgasen, die bei einem Feuer entstehen, besser abgeschätzt werden können. Schließlich verursachen Brände weltweit fast ein Drittel aller Kohlendioxid-Emissionen. "Wenn man sich ansieht, wie derzeit Feueremissionen geschätzt werden, kommt man schnell darauf, dass die Fehlerbreite hier sehr hoch ist", erklärt Gernot Rücker. Das kommt daher, dass die Forscher Annahmen über Annahmen machen müssen, und mit jeder von ihnen wird das Resultat ungenauer.

Firebird soll eine neue Vorgehensweise erproben, die zusammen mit der Feuerforschungsgruppe des Londoner King's College unter Leitung von Martin Wooster entwickelt wurde. "Dabei misst man die Feuerstrahlungsleistung, das heißt, wie viel Strahlung freigesetzt wird", erklärt Gernot Rücker. Denn dank der genau arbeitenden Sensoren lässt sich aus dem Unterschied in der Infrarotstrahlung zwischen brennenden und nicht brennenden Flächen die Intensität des Feuers berechnen. Daraus können die Experten dann mit einfachen Methoden ableiten, welche Mengen pro Zeiteinheit verbrannt sind und was das an Treibhausgasen bedeutet.

Bis 2015 steht die Finanzierung des Firebird-Tandems, so lange reicht auch ihre offizielle Lebensdauer. Doch technisch ist das wohl eher ein unterer Wert. Wenn beim Start jetzt am Sonntag und im kommenden Jahr alles glatt geht, können die beiden Minisatelliten etliche Jahre im All arbeiten. Möglicherweise ist das dann auch der Startschuss für ein wirklich einsetzbares Feuerbeobachtungssystem im Orbit. Das allerdings müsste aus mehreren Satelliten bestehen, die zu verschiedenen Tageszeiten die Oberfläche absuchen. Mit den beiden Erdbeobachtungssatelliten Aqua und Terra und ihrem seit 2011 arbeitenden Kollegen NPP haben die Amerikaner drei davon im Orbit, die allerdings nicht so hoch aufgelöst wie Firebird arbeiten können. Die europäischen Sentinel-Satelliten, die ab 2013 starten sollen, haben ebenfalls derartige Instrumente an Bord. Wenn diese globalen Beobachter dann von einer kleinen Flotte Firebird-artiger Flugkörper mit höchster Auflösung ergänzt werden, wäre das orbitale Waldbrand-Observatorium komplett.

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