Quelle: ESA.

12. November 2021 – Um das Verständnis der aktuellen Trends in der globalen Urbanisierung zu verbessern, entwickeln die ESA und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit dem Google Earth Engine-Team den World Settlement Footprint – den weltweit umfassendsten Datensatz über die menschliche Besiedlung.

Die World Settlement Footprint Suite besteht aus mehreren verschiedenen Produkten, von denen zwei in dieser Woche während der Klimakonferenz der Vereinten Nationen (COP26) anlässlich des Cities, Regions & Built Environment Day öffentlich vorgestellt wurden: World Settlement Footprint 2019 (WSF 2019) und World Settlement Footprint Evolution (WSF Evolution). Diese Produkte wurden in mehreren Millionen Stunden Rechenzeit mit Google Earth Engine, der Plattform von Google für die Analyse von Geodaten, erstellt.

WSF 2019, das Informationen über globale menschliche Siedlungen mit beispielloser Detailgenauigkeit und Präzision liefert, enthält Daten der Copernicus Sentinel-1– und Sentinel-2-Missionen, während WSF Evolution durch die Verarbeitung von sieben Millionen Bildern des US-Satelliten Landsat, die zwischen 1985 und 2015 aufgenommen wurden, erstellt wurde und das weltweite Wachstum menschlicher Siedlungen Jahr für Jahr veranschaulicht.

Diese beispiellose Sammlung globaler Produkte zur menschlichen Besiedlung fördert unser Verständnis der Urbanisierung auf globaler Ebene.

Die neuen Produkte des World Settlement Footprint werden für nationale statistische Ämter, lokale Behörden, die Zivilgesellschaft sowie internationale Organisationen, die an der Umsetzung des Ziels 11 der Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung und der Neuen Urbanen Agenda beteiligt sind, von großem Nutzen sein. Der WSF-Datensatz hat sich als Schlüsselressource für die Analyse der Urbanisierung in Entwicklungsländern erwiesen, wo oft keine oder nur unzureichende Informationen verfügbar sind.

Mattia Marconcini, der den World Settlement Footprint des DLR leitet, erklärt: „Zu wissen, wo Menschen leben, wird als einfach erachtet, da frei zugängliche Webdienste auf ihren Plattformen detaillierte Umrisse anbieten. Wenn man sich auf Länder mit niedrigem oder mittlerem Einkommen konzentriert, insbesondere auf ländliche und vorstädtische Gebiete, wird sofort deutlich, dass für weite Teile der Welt keine Informationen über das Gesamtausmaß menschlicher Siedlungen verfügbar sind. Hier kommt der World Settlement Footprint ins Spiel.”

„Der World Settlement Footprint Evolution zeigt uns, wie sehr sich unsere Städte in den letzten 30 Jahren entwickelt haben. Die Verfügbarkeit von Satellitendaten ermöglicht es uns, eine Wissensbasis darüber aufzubauen, was dringend erforderlich ist, um die Ziele der nachhaltigen Stadtentwicklung zu erreichen und fundierte politische Entscheidungen zu treffen.”

Marc Paganini der ESA sagte: „Die Verfügbarkeit kontinuierlicher qualitativ hochwertiger Datenströme und kostenloser Satellitenbeobachtungen wie die Sentinels des europäischen Copernicus-Programms und die Landsat-Missionen in Kombination mit dem Aufkommen automatisierter Methoden für die Verarbeitung großer Datenmengen und die Datenanalyse sowie die Demokratisierung der Rechenkosten bieten beispiellose Möglichkeiten, die Veränderungen und Trends in der Stadtentwicklung weltweit effizient zu überwachen.

Der World Settlement Footprint ist ein großartiges Beispiel dafür, wie wir die Datenrevolution zum Nutzen aller Länder und Städte mobilisieren können, um niemanden zurückzulassen, was eines der Leitmotive der Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung ist.”

Die neuen WSF-Produkte wurden von einer Reihe von Nutzern, die bereits einen vorläufigen Zugang zu ihnen erhalten haben, positiv aufgenommen. Zu diesen Nutzern gehören die Weltbank, die Asiatische Entwicklungsbank, UN-Habitat und das Internationale Komitee des Roten Kreuzes.

Robert Ndugwa, Leiter der Daten- und Analyseabteilung von UN-Habitat und Verantwortlicher für die globalen Städtestatistiken der UN-Habitat, kommentierte: „Der World Settlement Footprint Evolution hat eine skalierbare Analyse und Berechnung von räumlichen Urbanisierungstrends nicht nur für einzelne Städte und Stadtgebiete, sondern auch auf nationaler und globaler Ebene ermöglicht.

Wir müssen den Aufbau nachhaltiger Städte und menschlicher Siedlungen vorantreiben, und dies hängt davon ab, wie gut wir diese Bereiche messen und wie gut wir das Wachstum all dieser Städte in der Zukunft vorhersagen können. Ich glaube, dass die Erdbeobachtung und die raumbezogenen Technologien uns die nötigen Werkzeuge geben, um diese Entwicklung voranzutreiben.”

Sameh Wahba, Weltbank-Direktor der Global Practice „Urban, Disaster Risk Management, Resilience and Land“, fügte hinzu: „Big Data werden in großem Umfang genutzt, um aktuelle Entwicklungstrends, wichtige Herausforderungen und zukünftige Urbanisierungsszenarien in verschiedenen Regionen zu verstehen und zu analysieren. Die Partnerschaft mit der ESA, dem DLR und anderen Organisationen hat es uns in den letzten Jahren ermöglicht, die Grenzen unseres Wissens zu erweitern und evidenzbasierte Daten für unsere Entscheidungsfindung zu nutzen.

„Mithilfe des World Settlement Footprint Evolution hat unser Team das Hochwasserrisiko wachsender Städte auf der ganzen Welt, wie beispielsweise Bangkok, Thailand, verfolgt. Die Daten deuten auf einen besorgniserregenden Trend hin, den wir beobachten: Neue und ungeplante Siedlungen in überschwemmungsgefährdeten Gebieten haben erheblich zugenommen, insbesondere in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen. Die hochauflösenden Daten ermöglichen es uns, gemeinsam mit unseren Partnern auf der ganzen Welt zu ermitteln, wie sich dieses Risiko entwickelt, und die Ursachen für das risikoreiche Städtewachstum zu identifizieren.”

Der World Settlement Footprint 2019 und der World Settlement Footprint Evolution können auf dem DLR Earth Observation Center erkundet werden.

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• Planet Erde

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Quelle: DLR.

12. November 2021 – Die Modelle zur Vorhersage des Klimawandels werden immer genauer. Sie verarbeiten riesige Datenmengen, bewerten Informationen und verknüpfen sie zu einem Gesamtbild. Wie das aussieht, hat der Weltklimabericht gezeigt: „Es ist eindeutig, dass der Einfluss des Menschen die Atmosphäre, den Ozean und die Landflächen erwärmt hat“, stellt der Bericht den wissenschaftlichen Kenntnisstand dar. Das Ausmaß der Veränderungen im gesamten Klimasystem ist demnach seit vielen Jahrhunderten bis Jahrtausenden beispiellos. Dass die Aussagen so deutlich ausfallen, hängt mit der Arbeit von Prof. Veronika Eyring zusammen. Sie ist Koordinierende Leitautorin des Kapitels „Menschlicher Einfluss auf das Klimasystem“. Die Wissenschaftlerin vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Universität Bremen forscht auf dem Gebiet der Erdsystemmodellierung und Modellbewertung. Sie nutzt Erdbeobachtungsdaten aus der Raumfahrt und wendet Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) an, um belastbare Klimavorhersagen und Technologiefolgenabschätzungen zu erhalten.

Im schottischen Glasgow beraten Vertreterinnen und Vertreter von 197 Staaten aktuell über Maßnahmen gegen den Klimawandel: Die Klimakonferenz COP26 findet vom 31. Oktober bis 12. November 2021 statt.

„Eindeutige Belege für die Dringlichkeit des Handelns“
Dürren und Starkregen nehmen zu, Eis in den Meeren schmilzt, die Atmosphäre heizt sich auf: Wie können die mehr als 230 internationalen Fachleute, die an dem sogenannten Sechsten IPCC-Sachstandsbericht gearbeitet haben, so sicher sein, dass die Aktivitäten des Menschen den Klimawandel verursachen? „Die Beweislinien sind über die Zeit immer stärker geworden. Nicht nur für die Temperatur, sondern für viele weitere Klimaänderungen“, sagt Veronika Eyring. „Wir haben in dem Bericht den Realitäts-Check geliefert. Die Erwärmung ist bereits auf 1,1°C im Vergleich zu vorindustriellen Zeiten angestiegen. Das heißt, wir sind von dem 1,5°C-Ziel nicht mehr weit entfernt. Der Bericht zeigt auch, dass jeder kleine Anstieg der Erwärmung zu weiteren und schwerwiegenderen Auswirkungen des Klimawandels führt. Dies sind eindeutige Belege für die Dringlichkeit des Handelns. Es geht nun also darum, die Treibhausgas-Emissionen sofort, schnell und drastisch zu reduzieren. Ansonsten wird es nicht mehr möglich sein, die Erwärmung auf maximal 1,5°C zu begrenzen“, erklärt Veronika Eyring.

ESMValTool analysiert, wie gut die Klimamodelle im Vergleich zu Erdbeobachtungsdaten aus der Raumfahrt sind
Um die Ergebnisse von Klimamodell-Simulationen darzustellen, entwickelt das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen gemeinsam mit mehr als 70 internationalen Forschungseinrichtungen federführend das Earth System Model Evaluation Tool (ESMValTool). Das Computerprogramm erlaubt eine umfangreiche Bewertung der Klima- und Erdsystemmodelle im Vergleich mit Beobachtungsdaten. Mit dem ESMValTool wurden die Simulationen der neuesten Generation der sogenannten CMIP6 Modelle ausgewertet und auch das Problem riesiger Datenmengen adressiert. „Wir konnten zeigen, dass sich die Klimasimulationen verbessert haben“, sagt Veronika Eyring, die das CMIP6-Projekt von 2014 bis 2020 leitete. Die Datenprodukte von CMIP6 stellen neben Beobachtungsdaten eine wichtige Quelle für Klimainformationen im IPCC-Bericht dar.

Unsicherheiten und neue Forschungsschwerpunkte in der KI
Trotzdem bestehen noch immer Unsicherheiten in den Vorhersagen des Klimawandels und seinen Auswirkungen auf globaler und regionaler Skala. Dies liegt insbesondere daran, dass kleinskalige Prozesse wie Wolkenbildung nicht explizit aufgelöst und daher nur näherungsweise in Parametrisierungen dargestellt werden können. Um dieses Problem zu lösen, setzt Veronika Eyring auf KI.

Das interdisziplinäre Team von USMILE (Unterstanding and Modelling the Earth System with Machine Learning) entwickelt maschinelle Lernverfahren, um das Verständnis und die Modellierung des Erdsystems weiter zu verbessern. Hier geht es um eine Darstellung von Prozessen in Wolken und auf der Landoberfläche. So sollen Unsicherheiten in Klimavorhersagen reduziert werden. Außerdem arbeitet das Team daran, Klimaschwankungen und Extremereignisse, zum Beispiel Dürren, mit Methoden wie Deep Learning auf kausale Zusammenhänge hin zu untersuchen. „Maschinelles Lernen hat hier ein außerordentliches Potenzial, um die Klimaforschung voranzubringen und neue Forschungsfelder zu erschließen“, sagt Veronika Eyring.

„Wir haben im DLR die Daten und die Infrastruktur“
Der Abgleich von Erdbeobachtungsdaten und Erdsystemmodellen gilt als wichtige Grundlage für die Verbesserung von Klimavorhersagen. „Wir sind im DLR prädestiniert für die Entwicklung dieser Anwendungen. Wir haben die Daten und die Infrastruktur, mit denen wir die Analysen durchführen können“, erklärt Prof. Dr. Markus Rapp, Direktor des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre. Je umfangreicher und genauer die Modelle werden, desto mehr Daten werden verarbeitet und überprüft. Das Team im DLR-Institut für Physik der Atmosphäre erstellt neue Verfahren, erweitert statistische Methoden und nutzt Künstliche Intelligenz (KI), um die Unsicherheit in den Vorhersagen und in den Modellen weiter zu verringern. „Die KI hilft uns, komplexe Systeme zu verstehen“, sagt Veronika Eyring.

Herausragende Arbeit auf dem Gebiet der Klimamodellierung
Veronika Eyring betreut ein Dutzend Doktorandinnen und Doktoranden im Bereich Klimamodellierung. „Viele arbeiten am Interface zwischen Klimaforschung und KI, also an der Verbindung von Physik und Informatik. Die junge Generation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern wird noch viel bewegen“, ist Veronika Eyring sicher. Sie selbst hat Physik studiert. Als sie 1995 ihre Diplomarbeit schrieb, warnten internationale Klimaforscherinnen und -forscher schon vor dem vom Menschen verursachten Klimawandel. Veronika Eyring begann, die theoretische Physik mit der Klimaforschung zu kombinieren. 2021 erhielt sie für ihre herausragende Arbeit auf dem Gebiet der Klimamodellierung den renommierten Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis, weil sie maßgeblich dazu beigetragen hat, das Verständnis sowie die Genauigkeit von Klimavorhersagen durch prozessorientierte Modellierung und Modellevaluierung zu verbessern. Das Forschungspreisgeld in Höhe von 2,5 Millionen Euro fließt in die Weiterentwicklung der Klimamodelle durch KI für eine verbesserte Technologiefolgenabschätzung und Politikberatung – und in die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses. „Die Anwendung von KI zum Verständnis und zur Modellierung des Erdsystems steht noch am Anfang. Es ist ein vielversprechender Bereich, der eine neue Generation von Forschenden erfordert, die an der Schnittstelle von Klimawissenschaft und künstlicher Intelligenz ausgebildet ist“, sagt Veronika Eyring.

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• Klimawandel

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Quelle: DLR.

3. November 2021 – Vom 31. Oktober bis zum 12. November 2021 findet im schottischen Glasgow die 26. UN-Klimakonferenz (COP, Conference of the Parties) unter dem Vorsitz Großbritanniens statt. Vertreter von 197 Vertragsstaaten beraten dort über geeignete Maßnahmen, um die Ziele der UN-Klimarahmenkonvention (UNFCCC) zu erreichen und das Pariser Klimaabkommen umzusetzen. „Die Raumfahrt spielt für die Umsetzung dieser Ziele eine wichtige Rolle, weil sie mithilfe von Erdbeobachtungssatelliten kontinuierlich und über einen langen Zeitraum den Zustand und die Veränderungen unseres Heimatplaneten und damit auch die Ursachen und Folgen des Klimawandels auf einzigartige Weise dokumentiert“, erklärt Dr. Walther Pelzer, Mitglied des DLR-Vorstands und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Im Verbund mit unseren europäischen und internationalen Partnern wollen wir durch unsere Aktivitäten dazu beitragen, dass auf politischer und gesellschaftlicher Ebene dem Klimawandel effektiver entgegengewirkt werden kann.“

Globale Bestandsaufnahmen Thema beim „Earth Information Day“
So liefern Satelliten wichtige Informationen über den Anstieg des Meeresspiegels oder die Zunahme von Treibhausgasen in der Atmosphäre. Außerdem sammeln sie Daten über die weltweite Entwaldung oder auch zu Änderungen in der Vegetation. Zu den Schwerpunkten der diesjährigen Weltklimakonferenz zählt die Reduktion der Treibhausgase auf Netto-Null bis zum Jahr 2050 und die Begrenzung der globalen Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius. Ziel ist es außerdem, Finanzmittel für die Umsetzung des Pariser Klimaabkommens zu mobilisieren und das Regelwerk zur Umsetzung dieses Abkommens weiterzuentwickeln. Teil der Konferenz wird auch in diesem Jahr der „Earth Information Day“ sein, der am 3. November 2021 stattfindet. Themen sind die aktuellen Entwicklungen in der satellitengestützten Erdbeobachtung sowie deren Rolle bei der Bekämpfung des Klimawandels.

„Erdbeobachtungssatelliten können sowohl globale Bestandsaufnahmen leisten, als auch präzise punktuelle Messungen vornehmen und damit die Überprüfung des Pariser Abkommens unterstützen“, erläutert Albrecht von Bargen, Ansprechpartner für die satellitengestützte Klimabeobachtung in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und derzeitiger Sprecher der Arbeitsgruppe Klima der Raumfahrtagenturen bei der COP 26. Damit liefern die Satelliten die Grundlage für länderübergreifende umweltpolitische Entscheidungen, aber auch für nationale Maßnahmen, wie etwa zur Minderung und Anpassung von Treibhausgasen.

Bestätigt wird die Bedeutung der Raumfahrt auch durch den jüngsten Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), in dem Erdbeobachtungssatelliten als entscheidend für die Überwachung der Ursachen und Auswirkungen des Klimawandels eingestuft werden. Die Einsatzmöglichkeiten für Erdbeobachtungssatelliten sind dabei vielfältig. „Dazu gehören etwa Messungen der Eisschilde und der Treibhausgase in der Atmosphäre, sowie die globale Kartierung der Wälder und der Veränderung der Vegetation“, führt von Bargen aus.

Treibhausgas-Missionen unterstützen das Pariser Klimaabkommen
Mit dem Pariser Klimaabkommen haben sich die Unterzeichner dazu verpflichtet, das 1,5-Grad-Ziel zu erreichen. Damit verbunden ist die konkrete Limitierung der noch zulässigen Treibhausgasemissionen. Staaten geben dazu ihre möglichen Beiträge zur Reduktion an, müssen aber auch den Nachweis erbringen, dass sie diese erfolgreich umsetzen. Bisher beruhen diese Nachweise auf bodengestützten Messungen. Satellitengestützte Messungen, wie etwa die der Copernicus Sentinel-5P-Mission, die unter anderem das Treibhausgas Methan erfasst, ermöglichen einen flächenhaften Abgleich und die Verfeinerung der bodengestützten Messungen. Aktuell wird mit der Copernicus CO2M-Mission außerdem ein System aus drei Satelliten gebaut, das ab dem Jahr 2026 die CO₂-Emissionen global flächendeckend erfassen kann und so die Bestimmung der nationalen Beiträge unterstützt.

Ergänzend kommen auch nationale Satellitenmissionen hinzu, mit denen die Messung von Treibhausgasen und das Emissionsgeschehen umfassend beobachtet werden soll. So soll im Jahr 2027 die deutsch-französische Mission Merlin starten. Deren Lidarsystem (Light Detecting and Ranging) wird Quellen hochpräzise erfassen können, die zum Teil großflächig, aber mit geringer Konzentration Methan emittieren – wie etwa auftauende Permafrostböden. Das Laserinstrument kann unabhängig von externen Lichtquellen arbeiten und daher auch bei Nacht Messungen vornehmen. Diese verschiedenen satellitengestützten Beobachtungen ermöglichen so ein umfassendes Screening und eine präzise Bestimmung globaler Emissionsflüsse.

Grönländischer Eisschild verliert 250 Gigatonnen Eismasse pro Jahr
Für die Erfassung der globalen Eismassen sind Satelliten von entscheidender Bedeutung. Denn sie bieten die einzige Möglichkeit, Massenveränderungen der Eisschilde sowie deren Beitrag zum Meeresspiegelanstieg nicht nur punktuell, sondern auch umfassend und kontinuierlich zu messen. So konnte festgestellt werden, dass im Zeitraum zwischen April 2002 und Juni 2021 der Grönländische Eisschild durchschnittlich 250 und der Antarktische Eisschild 92 Gigatonnen pro Jahr an Eismasse verloren haben. Zusammen verursachten sie damit etwa 26 Prozent des mittleren globalen Meeresspiegelanstiegs.

Doch wie funktionieren solche Messungen? Durch die Umverteilung von Massen, wie etwa durch das Schmelzen von Eis, verändert sich die Erdanziehung. Da sich das Schwerefeld der Erde wiederum auf die Satellitenbahnen und somit auf die Positionen und Geschwindigkeiten der Satelliten auswirken, können Missionen wie GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), die in den Jahren 2002 bis 2017 aktiv war, und GRACE-Follow-On, die im Jahr 2018 gestartet ist, solche Auswirkungen messen. Beide Missionen sind in Kooperation zwischen der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ) realisiert worden.

Waldökosysteme dienen als „grüne Lunge“ für unseren Planeten
Wälder sind ein unverzichtbarer Bestandteil unserer Lebensgrundlage und sichern als Heimat für viele Tier- und Pflanzenarten die weltweite Artenvielfalt. Insbesondere die tropischen Waldgebiete helfen außerdem durch Kohlenstoffspeicherung, die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre zu reduzieren und wirken dabei der globalen Erwärmung entgegen. Rund ein Drittel der Landmasse der Erde ist heute von Wäldern bedeckt. Doch bereits seit Mitte des 20. Jahrhunderts wurde der Bestand durch Abholzung um mehr als die Hälfte reduziert. Wälder sind aufgrund natürlicher, klimatischer und durch Menschen verursachte Prozesse hinsichtlich der Vegetationshöhe, Biomasse und Artenvielfalt sehr unterschiedlich aufgebaut.

Die Kartierung dieser Strukturmuster ist ein wichtiges Element, um den Zustand der Wälder zu erfassen und Funktion und Entwicklung von Waldökosystemen in Modellen abzubilden. Das DLR nutzt dazu interferometrische Radar-Daten, die für das globale Höhenmodell der deutschen Satellitenmission TanDEM-X aufgenommen wurden, in Kombination mit Daten der NASA-Mission GEDI (Global Ecosystem Dynamics Investigation Lidar). GEDI nimmt mit Hilfe eines Lasers von der Internationalen Raumstation ISS aus punktuelle Messungen der 3D-Waldstruktur vor. Mit Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz werden aus beiden Datensätzen Waldhöhe und Waldbiomasse flächendeckend abgeleitet.

Biodiversität als wichtiger Faktor bei der Kohlenstoffspeicherung
Biodiversität und Klima beeinflussen sich wechselseitig. So wird die biologische Vielfalt durch den Klimawandel bedroht, der sich wiederum negativ auf das Klima auswirkt. Am Beispiel von Mangroven wird dies besonders deutlich: Während diese besonderen Ökosysteme weltweit zwischen rund vier und 20 Milliarden Tonnen Kohlenstoff speichern und so erheblich zum Klimaschutz beitragen, sind sie durch die zunehmenden Extremwetterereignisse und dem steigenden Meeresspiegelanstieg besonders gefährdet. Der Verlust der Mangrovenwälder hätte die Freisetzung von CO₂ zur Folge, welches wiederum den Treibhauseffekt verstärkt. Die Erhaltung der biologischen Vielfalt ist somit entscheidend für den Klimaschutz. Daten der Sentinel-2-Mission des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus sind bei der Kartierung und Überwachung der Ausdehnung von Mangroven und anderer Ökosysteme äußerst hilfreich. Im Jahr 2022 soll mit dem ersten deutschen Hyperspektralsatelliten EnMAP (Environmental Mapping Analysis Program) eine neue Mission zur Erforschung der Ökosysteme auf der Landoberfläche der Erde starten.

Hohe deutsche Beteiligung an der satellitengestützten Erdbeobachtung
Deutschland ist führend an den Erdbeobachtungsprogrammen der Europäischen Kommission, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der Europäische Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten EUMETSAT beteiligt. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR gestaltet die Programme entsprechend der Zielsetzungen der Bundesregierung. Die nationalen Satellitenmissionen ergänzen dabei die europäischen Aktivitäten.

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• Klimawandel

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