Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ESA, Thales Alenia Space.

Der Vertrag zwischen der ESA und TAS im Wert von 450 Millionen Euro über den Bau von Sentinel 3C und 3D für das europäische Copernicus-Programm wurde am 9. Februar 2016 in der französischen Hauptstadt Paris unterzeichnet.

Wie schon bei der Herstellung der Erdbeobachtungssatelliten Sentinel 3A und 3B wird TAS wieder als Hauptauftragnehmer fungieren. TAS führt ein Konsortium von rund 100 europäischen Unternehmen an und ist verantwortlich für Entwurf, Entwicklung, Integration und Tests der beiden Raumfahrzeuge.

In den Weltraum transportiert werden die beiden Satelliten laut Plan ab 2021 auf Raketen vom Typ VEGA als Teil des umfassenden Copernicus-Programms, das sich koordiniert von der Europäischen Kommission der Umweltbeobachtung widmet. Die ESA kümmert sich um Schaffung und Betrieb des Weltraumsegments von Copernicus.

Der Start von Sentinel 3A erfolgt übrigens in einigen Tagen vom Kosmodrom Plessezk in Russland auf einer Rockot-Rakete, nach dem er einige Male unerwartet verschoben werden musste. Sentinel 3B wird nach aktuellem Stand voraussichtlich im Jahre 2017 auf eine Umlaufbahn um die Erde gebracht.

Sentinel 3C und 3D basieren auf dem Satellitenbus Prima, den TAS im Auftrag der Italienischen Raumfahrtagentur (Agenzia Spaziale Italiana, ASI) entwickelt hatte und zunächst Basis für die vier italienischen Radarsatelliten der COSMO-SkyMed-Konstellation wurde. Die beiden neuen Satelliten für Copernicus weisen voraussichtlich jeweils eine Startmasse von rund 1.200 Kilogramm auf.

Das zusätzliche Satellitenpaar soll den Strom der Erdbeobachtungsdaten, der von Sentinel 3A und 3B kommen wird, nicht versiegen lassen. Die zusätzlichen Satelliten werden es erlauben, weiter kontinuierlich die Oberflächenfarben der Ozeane, die Höhe der Weltmeere und die Dicke von Meereis zu bestimmen. Dabei können die Ozeanfarben beispielsweise Auskunft über das Vorhandensein von Algen oder Verschmutzungen geben.

Mit den Satelliten soll außerdem die Ermittlung von aktueller Landnutzung, die Erfassung des Zustands von Bewuchs und die Messung von Pegeln in Flüssen und Seen fortgeführt werden. Die Satelliten werden helfen, die Auswirkungen des Klimawandels besser zu verstehen. Außerdem ermöglichen sie ganz praktische Dinge wie das Monitoring von Waldbränden oder von gefährlichen Wellenbergen.

Die beiden Satelliten erhalten jeweils vier Hauptinstrumente:

OLCI
Das Spektrometer OLCI (Ocean and Land Color Instrument) zur Erfassung der Ozean- und Landfarben basiert auf dem MERIS für MEdium Resolution Imaging Spectrometer genannten Spektrometer, das an Bord des bisher größten europäischen Erdbeobachtungssatelliten Envisat zum Einsatz kam.

OLCI hat eine Masse von rund 153 Kilogramm und ist für einen siebeneinhalb-jährigen Einsatz ausgelegt. Das Instrument erreicht eine Schwadbreite von 1.270 Kilometern, benutzt 21 Frequenzbänder mit Wellenlängen zwischen 0,4 und 1,02 Mikrometern und ermöglicht eine räumliche Auflösung im Bereich von 300 Metern.

MWR
Das Mikrowellenradiometer MWR (MicroWave Radiometer) geht ebenfalls auf eine Konstruktion für Envisat zurück. Das Sentinel-3-MWR mit einer Masse von rund 26,5 Kilogramm besitzt zwei Kanäle bei 23,8 und 36,5 GHz mit einer Bandbreite von jeweils 200 MHz.

Mit dem Radiometer können Korrekturdaten für die Radaranlage (SRAL) an Bord gewonnen werden. Mit Hilfe der Daten lassen sich Fehler, die sich durch in der Atmosphäre vorhandene Feuchtigkeit ergeben, kompensieren. Außerdem ermöglicht das Instrument die Erfassung von Emissions- und Feuchtedaten zu überflogenen Landflächen und die Beurteilung von Eisflächen im Blickfeld.

SLSTR
Das bildgebende Radiometer SLSTR (Sea and Land Surface Temperature Radiometer) ist eine Weiterentwicklung von Envisats Radiometer Advanced Along-Track Scanning Radiometer (AATSR). Die Masse des SLSTR beim Start liegt bei rund 90 Kilogramm. Es soll sich 7,5 Jahre benutzen lassen und die Weltmeere und Landflächen dabei in neun Frequenzbändern mit Wellenlängen zwischen 0,55 und 12 Mikrometern abtasten. Im Bereich des sichtbaren Lichts und des nahen Infraroten (VIS und SWIR) erhofft man sich eine räumliche Auflösung im Bereich von 500 Metern, im mittleren und thermalen Infraroten (MWIR und TIR) von etwa einem Kilometer.

Das Instrument besitzt zwei unterschiedliche Sichtfelder. Eines ermöglicht eine Schwadbreite von 1.420 Kilometern beim direkten Blick vertikal nach unten. Das zweite mit einer abweichenden Blickrichtung ist auf eine Schwadbreite von 750 Kilometern hin ausgelegt. Das SLSTR ist dafür gedacht, Ozeanfarbe, Ozeanoberflächentemperaturen und Pegel zu bestimmen. Bei der Messung der Oberflächentemperatur soll es eine Genauigkeit von 0,3 Grad Celsius erreichen.

SRAL
Die Radaranlage, ein Radarhöhenmesser namens SRAL (Synthetic aperture Radar ALtimeter), ist eine Evolutionsstufe des SIRAL für SIRAL Synthetic Aperture Interferometric Radar Altimeter genannten Höhenmessers von Cryosat. Sie kann in zwei unterschiedlichen Radar-Betriebsmodi eingesetzt werden.

In einem Modus mit geringer Auflösung (Low-Resolution Mode, LRM, Auflösung ca. 20 km) erfolgt der Einsatz mit einem Muster aus 6 Impulsen im K_u-Band, das nach drei Impulsen von einem Impuls im C-band unterbrochen wird. Die Pulsfrequenz beträgt dabei 1,9 kHz.

Im SAR-Modus mit einer Pulsfrequenz von 17,8 kHz kann mit von zwei C-Band-Impulsen umgebenen Ketten aus 64 K_u-Band-Impulsen eine deutliche höhere Auflösung im Bereich von 300 Metern erzielt werden. Der SAR-Modus erlaubt über Meeresflächen abhängig von der Wellenhöhe eine vertikale Auflösung im Bereich einiger Zentimeter.

Im K_u-Band benötigt SRAL eine Bandbreite von 350 MHz im Bereich bei 13,575 GHz. Im C-Band, das von SRAL zur Gewinnung von Korrekturdaten zur Kompensation von störenden Beeinflussungen der Radarimpulse durch Ionosphäre und Troposphäre benutzt wird, besetzt SRAL 320 MHz bei 5,41 GHz. Die Masse der Anlage beträgt rund 60 Kilogramm.

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Instrumente zur Beobachtung der Ozeane
ENVISAT wird etwa alle 35 Tage einmal die gesamte Oberfläche unseres Planeten überfliegen, und zwei Drittel dieser Zeit wird er sich dabei über Ozeanen und Meeren befinden. Alleine schon wegen ihrer schieren Größe haben die Weltmeere einen enormen Einfluss auf unser Klima, weswegen natürlich auch ENVISAT mit verschiedenen Beobachtungsinstrumenten einen genauen Blick auf die Ozeane werfen wird.
 
Das auch für die Atmosphärenbeobachtung verwendete Beobachtungsinstrument MERIS („Medium Resolution Imaging Spectrometer“) misst die Strahlung in fünfzehn verschiedenen Frequenzbändern im sichtbaren und so genannten „Nahen Infraroten“ Wellenbereich. Es wird beim Flug von ENVISAT über die Ozeane dafür genutzt, um die Farbe der Meere zu registrieren.
 
Das AATSR („Advanced Along Track Scanning Radiometer“) misst die Oberflächentemperatur der Ozeane mit einer Genauigkeit von 0,3° C. Dieser Parameter ist ein wichtiger Schlüssel bei der Beantwortung der Frage, ob und in welchem Maße eine globale Erwärmung stattfindet.
Die beiden genannten Instrumente zusammen werden wichtige Daten beispielsweise für Studien über Plankton und die Bewegungen von Fischschwärmen liefern können.
 
RA-2 („Radar Altimeter“) und ASAR („Advanced Synthetic Aperture Radar“) sind zwei Radargeräte unterschiedlicher Funktionsweise, die unter anderem Wellenhöhen und -richtungen sowie Windbewegungen messen können. RA-2 ist sogar in der Lage, Unterwasserwellen durch die von ihnen verursachten geringen Auswirkungen an der Wasseroberfläche zu entdecken. Der MWR („Microwave Radiometer“) berichtigt dabei eventuelle Verfälschungen der Messergebnisse von RA-2 durch die Luftfeuchtigkeit.
 
Instrumente zur Beobachtung der Erdoberfläche
Das gerade schon erwähnte Radarinstrument ASAR spielt auch bei der Beobachtung der Erdoberfläche eine wichtige Rolle. So kann es beispielsweise die Landnutzung und Wachstumsformen erkennen und die Beschaffenheit der Erdoberfläche messen.
 
MERIS ist ebenfalls für die Beobachtung der Landflächen unseres Planeten zuständig, da es die verschiedenen Wachstumsphasen von Pflanzen erkennen kann.
 
Das AATSR kann mit seiner Fähigkeit, Temperaturen hoch aufgelöst zu bestimmen, beispielsweise Wald- und Buschbrände erkennen und Pflanzenbewuchs registrieren.
 
DORIS („Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite“) schließlich erlaubt es, die Satellitenposition auf ca. 5 cm genau zu vermessen. Durch diese Information können die mit Hilfe von RA-2 und ASAR ermittelten Daten zur Meereshöhe und Oberflächenprofile verbessert werden.
 
Ausblick
Die ersten Monate nach dem Start werden dazu genutzt werden, um die Instrumente von ENVISAT zu kalibrieren und zu eichen. Dazu werden ihre Ergebnisse mit denen anderer Erdbeobachtungssatelliten verglichen, ebenso werden zu diesem Zweck Vergleichsdaten von Schiffen, Flugzeugen und festen Messpunkten am Boden herangezogen.
 
Danach beginnt die Phase der Datenerhebung und -auswertung, die mindestens fünf Jahre lang andauern soll. Natürlich hoffen die beteiligten Wissenschaftler – alleine über 700 in Europa – auf eine möglichst lange Lebensdauer, denn die meisten Daten erhalten ihren Wert erst im Zeitverlauf, wenn Entwicklungen und Veränderungen erkennbar werden. Der begrenzende Faktor für die Lebensdauer von ENVISAT dürfte der Treibstoffvorrat für die Lagekontrolltriebwerke sein.

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