Aufnahmen von Wettersatelliten

Die Erdbeobachtung mit Satelliten und die dazu notwendigen Informationen sind umfangreich und teilweise sehr komplex. An dieser Stelle soll nur eine allgemeinverständliche Erläuterung zu grundsätzlichen Sachverhalten gegeben werden. Für detaillierte Informationen wird auf die entsprechenden weiterführenden Links verwiesen.
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Der Schwerpunkt der Satellitenaufnahmen ist der europäische Raum. Diese werden i.d.R. aus Meteosat- und NOAA-Daten erzeugt. Für Aufnahmen anderer Erdregionen siehe Links. Die Anzeige externer Aufnahmen kann sehr lange Ladezeiten verursachen, oder die Datenübertragung wird vom bereitstellenden Server abgebrochen, da bei kostenfreien Produkten vom Betreiber meist nur eine begrenzte Serverkapazität oder Bandbreite zur Verfügung gestellt wird.
Grundsätzliches zu den Satellitenaufnahmen
Für die Erdbeobachtung werden grundsätzlich zwei verschiedene Verfahren angewandt. Die Satelliten können geosynchron (GOES Geostationary Operational Environmental Satellite, bez. eine Satellitenfamilie und heute gleichzeitig Synonym für die Orbitalposition) positioniert sein. Dabei befinden sich die Satelliten auf einer äquatorialen Umlaufbahn in ca. 35775km Höhe. Für den Beobachter auf der Erde steht der Satellit damit immer an derselben Stelle am Himmel. Dies hat zur Folge, dass zu jeder beliebigen Zeit der gleiche Sektor der Erdoberfläche vom Satelliten aus beobachtet werden kann. Der beobachtbare Sektor hängt dann nur von der Positionierung des Satelliten entsprechend der geografischen Länge ab. Nachteilig ist die große Entfernung zur Erdoberfläche und die äquatoriale Umlaufbahn, die auf Europa, bzw. Deutschland (ca. 50° n. Br.) bezogen einen relativ schiefen Blickwinkel für die eingebauten Sensorsysteme ergibt. Daraus resultiert eine Beschränkung der maximalen räumlichen Auflösung der Aufnahmen. Die Polregionen sind mit geosynchronen Satelliten nicht beobachtbar. Diese Orbitalposition ist klassisch für Kummunikationssatelliten und Wettersatelliten mit Standardsensorik zur Wetterbeobachtung (z.b. Meteosat, GOES).
Die zweite Möglichkeit einen Satelliten zu positionieren, ist die Verwendung einer relativ niedrigen Umlaufbahn in ca. 800 bis 900km Höhe die zirkumpolar (Nord/Süd oder Süd/Nord Umlauf mit ca. 100min. Umlaufzeit) ausgerichtet ist (POES Polar Operational Environmental Satellite, oder auch LEO Low Earth Orbiting Satellite). Der Satellit kann durch den geringen Abstand zur Erdoberfläche, Aufnahmen hoher Qualität liefern. Die niedrige Umlaufbahn hat allerdings zur Folge, dass sich der Satellit für den Beobachter auf der Erde von Horizont zu Horizont bewegt. Aufnahmen einer bestimmten Stelle sind somit nur zu festgelegten Zeiten und innerhalb eines begrenzten Zeitintervalls möglich (max. 15min.). Durch den Umstand, dass es praktisch keine stationären Aufnahmen gibt, ist es im Gegensatz zu geosynchronen Satelliten aufwändig, Aufnahmen der gleichen Erdregion zu überlagern um Kompositaufnahmen zu erhalten. Allerdings sind mit diesen Satelliten Aufnahmen der Polarregionen der Erde möglich und die höhere Auflösung der Aufnahmen ermöglicht Bodentempertur- und Feuchtigkeitsverteilungsmessungen (siehe auch Vegetationsindex, etc.). Diese Orbitalposition ist klassisch für Wettersatelliten mit Multisensorsystemen, die höher aufgelöste Aufnahmen erfordern (z.b. NOAA, MetOp).

Meteosat
Der Empfang von Satellitenaufnahmen von Meteosat (Betreiberkonsortium Eumetsat, Europa) gestaltet sich seit der Umstellung auf digitale Übertragungstechnik schwierig. Weiterhin ist der Empfang der Datendienste seit der Digitalisierung i.d.R. kostenpflichtig. Über den kostenfreien Empfang für private und nichtkommerzielle Zwecke gibt es nur wenige Informationen. Trotz der Möglichkeit zum kostenfreien Empfang ist viel Bürokratie zu erledigen und eine Lizenzgebühr zu zahlen. Davon abgesehen ist der Empfang nur mit erheblichem technischem Aufwand möglich. Es wird eine Parabolantenne mit mindestens 90cm Durchmesser (je nach Empfangslage), ein spezielles LNB, ein digitaler Sat-Receiver und Software benötigt.

Advanced TIROS-N Satelliten der NOAA Serie
Der Empfang von Satellitenaufnahmen der NOAA Satellitenfamilie (Betreiber National Oceanic and Atmospheric Administration, USA) ist im Gegensatz zum Meteosat Empfang recht einfach zu realisieren. Aufnahmen mit geringer Auflösung (APT - Automatic Picture Transmission) werden im 2m-Band (137,xxx MHz) mit moderater Bitrate gesendet. Die Übertragungsrate beträgt 120 Linien/min., die maximal erreichbare Ortsauflösung beträgt 4 km. Der Empfang ist während des Satellitenüberflugs in einem ca. 2000 km breiten Sektor der Erdoberfläche möglich. Für den Empfang genügt ein SSB-fähiger Empfänger für das 2m-Band, Transceiver, Scanner, oder ein spezieller Wettersatellitenempfänger. Da der Satellit während des Überflugs von Horizont zu Horizont kontinuierlich seine Position verändert, sollten die verwendeten Antennen eine hohe Empfindlichkeit für horizontal und beinahe vertikal einfallende Signale aufweisen. Als Antennen kommen daher Kombinationen aus den Basisantennentypen wie Kreuzdipole, Turnstiles oder Helixantennen (Quads) in Frage. Mit etwas optimierten Empfangsbedingungen lassen sich i.d.R. fehlerfreie Aufnahmen empfangen, die professionell erstelltem Bildmaterial in nichts nachstehen. Die besten Ergebnisse lassen sich mit nachgeführten Yagi- oder Parabolantennen erzielen. Diese Methode dürfte aber für die semiprofessionelle Anwendung zu aufwändig sein. Die Satelliten senden parallel auch ein HRPT-Signal (High Resolution/Rate Picture Transmission) der einzelnen Sensoren auf dem 17cm-Band mit 665400 bps, 360 Linien/min. und 1,1 km Ortsauflösung. Diese Aufnahmen mit höherer Auflösung erfordern ebenfalls einen höheren technischen Aufwand beim Empfang. In Zukunft werden auch diese analogen Services schrittweise, je nach Betriebsdauer des Satelliten, auf digitale Übertragung umgestellt werden (Planungszeitraum ~2013). Detaillierte Informationen über den kostenfreien Empfang in Zukunft und dem dazu notwendigen technischen Aufwand, werden wohl schrittweise auf den Betreiberhomepages veröffentlicht werden. Gleiches gilt für die wesentlich neuere europäische Satellitenfamilie MetOp.
Satellit NOAA 14 NOAA 15 NOAA 16 NOAA 17 NOAA 18 NOAA 19
Start 30.12.1994 15.051998 21.09.2000 24.06.2002 20.05.2005 06.02.2009
Status Inaktiv Aktiv Aktiv Aktiv Aktiv Aktiv
Aktuelle Statusmeldungen der Satelliten:
Polar Orbiting Environmental Satellites (POES) spacecraft status page, Office of Satellite Operations NOAA
Die nachfolgenden Angaben über Satellitentechnik, Orbitaldaten und Sensorausrüstung gelten nicht für jeden empfangbaren und noch aktiven Satelliten dieser Serie. Im Detail weicht insbesondere die Sensorausrüstung der Satelliten vom beschriebenen Umfang ab.

Advanced TIROS-N Satellite NOAA 17
NOAA 17
Quelle und Copyright ©: Smithsonian National Air and Space Museum

Technische Daten NOAA 17:
Abmessungen: 3,71 m x 1,88 m
Masse: 1395 kg
Energieversorgung: 2,37 m x 4,91 m Solarzellen, 3 Akkus, maximale Leistung P = 515 W
Verwendete Frequenzen:
Steuerkanal 148,56 MHz
Bakenkanal 137,77 MHz - Satellitentelemetrie
S-Band 1698,00 MHz - HRPT
S-Band 1707,00 MHz - HRPT
VHF 137,50 MHz  - APT
VHF 137,62 MHz - APT
 DCS 401,65 MHz - Empfangkanal Daten
SAR 1544,50 MHZ - Sendekanal Search and Rescue
SAR 121,5 MHz - Empfangskanal ELT, Search and Rescue
SAR 406,00 MHz - Empfangskanal EPIRB, Search and Rescue

Orbitaldaten NOAA 17:
Bahnhöhe ca. 816km, sonnensynchrone Umlaufbahnen, Inklinationswinkel 98,66° - 98,91°. Die sonnensynchrone Umlaufbahn bietet den Vorteil von optimal ausgeleuchteten Aufnahmen bei Tag. Da die Satelliten damit an den Sonnenlauf gekoppelt sind, hat dies viele Überflüge pro Tag im Sommer und nur wenige brauchbare Überflüge im Winter, verursacht durch den niedrigen Sonnenstand, zur Folge.

Sensoren der NOAA Satellitenserie:
AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)
Das Radiometer nimmt über 5 Spektralkanäle in einer Breite von 1440 km und mit einer Abtastrate von 360 Zeilen/Minute auf. Bei digitaler Datenübertragung (HRPT, 2048 Punkte/Linie) beträgt die Auflösung im Subsatellitenpunkt jeweils 1,1 km. Für den Direktempfang mit einfachen APT-Stationen werden 2 Kanäle (tagsüber 2/Vis und 4/IR, nachts 3/IR und 4/IR) bei reduzierter Auflösung (4 km) bei einer Abtastrate von 120 Zeilen/Minute und gleichzeitiger Entzerrung an den Rändern analog übertragen (ATP, 1024 Punkte/Linie). Die IR-Kanäle (3-5) sind thermisch kalibriert, so dass ihre Daten in Temperaturen umgerechnet werden können. Aus den Daten der VIS-Kanäle (1-2) kann das Verhältnis zwischen dem von der Erde reflektierten und dem dort einfallenden Licht (Albedo) herausgerechnet werden.
Kanal Wellenlänge Detektoren Anwendungen
1 580 - 680 nm VIS-RED Si Wolken und Erdoberfläche bei Tageslicht. Optische Dichte von Aerosolen.
2 725 - 1100 nm NIR Si Darstellung von Wasser auf der Erdoberfläche.
3 3,55 - 3,93µm MIR InSb Oberflächentemperatur des Meeres. Wolken während der Nacht.
4 10,3 - 11,3µm TIR1 HgCdTe Oberflächentemperatur des Meeres. Wolken während des Tages und der Nacht.
5 11,5 - 12,5µm TIR2 HgCdTe Oberflächentemperatur des Meeres in den Tropen.

HIRS/2 (High Resolution Infrared Radiation Sounder)
20-Kanal-Messgerät, das die Erde in einer Breite von 2240 km und mit einer Auflösung von 20,4km (im Subsatelltenpunkt) abtastet und dabei hauptsächlich Daten im IR-Bereich aufnimmt, aus denen vertikale Temperaturprofile (0 - 40 km) sowie der Wasserdampfgehalt in 3 Schichten und der absolute Ozongehalt berechnet werden können.

SSU (Stratospheric Sounder Unit)
CO2-Strahlung aus der obersten Atmosphärenschicht wird mit einem 3-kanaligen Infrarot-Spektrometer im 15µm-CO2-Absorptionsband gemessen. Dabei befindet sich im Strahlengang eine dichte CO2-Zelle, deren Innendruck verändert werden kann. Die Auswertung der Daten ergibt ein Temperaturprofil der Stratosphäre zwischen 25 und 50km Höhe.

MSU (Microwave Sounder Unit)
Das 4-kanalige Dicke-Spektrometer 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 bis 20 km Höhe dienen.

DCS (Data Collection System - ARGOS)
Das von Frankreich geplante und gebaute System empfängt von Daten-Plattformen (Wetterschiffe, unbemannte Wetterstationen, Bojen, Ballone) Messwerte, die anschließend an Bodenstationen weitergeleitet werden.

SEM (Space Environment Monitor)
Erfassung von Elektronen und Protonen (Sonnenwind) mit Energien zwischen 0,3 und 20 keV in 11 Kanälen (TED - Total Energy Detector) bzw. Elektronen, Protonen (Sonnenwind) und Ionen von 30 keV bis über 60 MeV (MEPED - Medium Energy Protons and Electrons Detector)

SARSAT (Search and Rescue Satellite Aided Tracking)
Der Satellit kann Notrufe eines mit ELT (Emergency Locator Transmitter) oder EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Beacons) ausgerüsteten Schiffes oder Flugzeuges empfangen und an Bodenstationen weiterleiten. Aus der Doppler-Verschiebung des übermittelten Signals kann der Standort des Senders ermittelt werden. Die Systeme wurden von Kanada bzw. Frankreich geplant.

SBUV/2 (Solar Backscatter Ultraviolett Radiometer)
Das Gerät misst zum einen die Intensität der im Bereich von 252 - 379 µm rückgestreute UV-Strahlung. Da diese Strahlung hauptsächlich von Ozon in den Weltraum zurückgestreut wird, dienen die Daten der Berechnung des Ozongehaltes und dessen vertikaler Verteilung sowie der Abschätzung seiner Langzeitentwicklung. Außerdem liefern Messungen der Sonnen- bzw. Atmosphärenstrahlung zwischen 160 µm und 400 µm Daten über photochemische Prozesse in der Atmosphäre. Schließlich wird in einem schmalen Spektralbereich (Cloud Cover Radiometer) die Helligkeit der Erdoberfläche bei 380 µm gemessen.

ERBE (Earth Radiation Budget Experiment)
Das Instrument nimmt einfallende Sonnenstrahlung und reflektierte terrestrische Wärmestrahlung im Bereich von 0,2 - 50 µm auf. Mit Hilfe der Daten wird der Strahlungshaushalt für verschiedene Regionen und der Energietransport vom Äquator zum Pol untersucht.