Quelle: DLR 22. November 2023.

22. November 2023 – Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) setzt einen weiteren Meilenstein in der 3D-Vermessung der Erde: Die „TanDEM-X 30 m DEM Change Maps“ geben einen globalen Überblick über die Veränderungen der Erdoberfläche. Ob Gletscherschwund, landwirtschaftliche Entwicklungen, Vulkanaktivitäten oder Städteplanung – die Änderungskarten sind für zahlreiche Forschungsbereiche, Fragen des Klimawandels sowie für gesellschaftspolitische Themen relevant. Der neue Datensatz der Satellitenmission TanDEM-X ist ab sofort frei verfügbar – 30 Meter Pixelgröße und eine Höhengenauigkeit von einem Meter liefern die hochpräzisen Daten weltweit.

Die nun veröffentlichten DEM Change Maps (DCMs) folgen auf das 2016 fertiggestellte globale TanDEM-X-Höhenmodell, dass schon bisher als weltweit anerkannte Referenz in wissenschaftlichen und kommerziellen Anwendungen genutzt wird. Das Höhenmodell von 2016 steht nun mit der neuen Veröffentlichung selbst in einer editierten Version zur Verfügung. Mit diesem „Upgrade“ dient es als Referenz, um Höhenänderungen für die neuen Änderungskarten im Rahmen der DEM Change Maps zu berechnen. Das erste globale Höhenmodell entstand durch eine gewichtete Mittelung mehrerer Aufnahmen im Zeitraum von 2011 bis 2015, weshalb eine zeitliche Zuordnung zunächst nur grob möglich ist. Im Gegensatz dazu ist in den DCMs jeder einzelne Höhenmesswert mit dem Aufnahmedatum versehen, sodass genaue Analysen der Veränderungen über der Zeit möglich werden. Zusätzlich ergänzte das Missionsteam die Höhendaten mit einer globalen Waldkarte und einer genauen Wassermaske, um die Analyse der DEM Change Maps zu unterstützen.

„Die Erdoberfläche unterliegt in vielen Bereichen dynamischen Veränderungen. Im Vergleich der neuen Datensätze zeigt sich in erstaunlich detaillierten Facetten, wie sich die Topographie unseres Planeten innerhalb eines Zeitraums von sechs bis acht Jahren gewandelt hat“, erklärt Dr. Marie Lachaise vom DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung.

Landschaftsveränderung durch Kohletagebau
Konkret zeichnen sich beispielsweise über Deutschland die veränderten Landschaften der Kohleabbau-Gebiete ab. Mithilfe der DEM Change Maps lässt sich die Menge an geförderter Braunkohle und das Abraumvolumen weiter ableiten. Am Beispiel des Tagewerks Garzweiler in Nordrhein-Westfalen berechneten die Forschenden, dass zwischen 2011/2013 und 2018 ein Gesamtvolumen von rund 490 Millionen Kubikmeter Erdmaterial ausgebaggert wurde. Die Größenordnung stimmt mit den Angaben des Energieversorgungskonzerns überein, der die Kohleförderung mit 30 Millionen Tonnen und einer Abraumleistung von 100 bis 120 Millionen Kubikmeter pro Jahr beziffert.

Wald im Wandel
Eine natürliche Ressource, die uns hilft, der globalen Erwärmung entgegenzuwirken, ist der Wald. Drastische Abholzungen, speziell in den tropischen Regenwäldern, stehen daher unter besonderer Beobachtung. Über bewaldete Flächen dringen X-Band-Radarwellen nur wenig ein, deshalb bewegen sich die TanDEM-X-Höhen im Kronendach. Man spricht von einem Oberflächenmodell. In der 3D-Änderungskarte werden die Rodungsmuster über die Höhenabnahme entsprechend deutlich sichtbar.

Auswirkungen des Klimawandels
Veränderungen an Gletschern und Eisfeldern sind hochempfindliche Indikatoren für den Klimawandel. Die TanDEM-X DCMs lassen erkennen, wie dramatisch sich unsere Polarregionen und Gletscher innerhalb weniger Jahre verändert haben. Massive Abschmelzungen offenbart unter anderem das südpatagonische Eisfeld in Chile. Insbesondere der Jorge-Mott-Gletscher ist seit den Aufnahmen für das erste Höhenmodell stark geschrumpft. Der Veränderungsanalyse nach hat der Gletscher zwischen 2012/2014 und Juni 2018 ein Gesamtvolumen von rund 10,7 Kubikkilometer verloren. Das bedeutet eine Abschmelzrate von bis zu 2,6 Kubikkilometer pro Jahr.

Eine Höhenzunahme hingegen verzeichnet der Brüggen-Gletscher (auch bekannt als Pío-XI-Gletscher), der aus dem südpatagonischen Eisfeld abfließt. In Summe weist er im gleichen Zeitraum ein Wachstum von rund 7,6 Kubikkilometer auf. Aktuellen Studien zufolge haben lokale geologische und klimatische Bedingungen zu dem ungewöhnlichen Zuwachs während der letzten Jahrzehnte geführt. Die neue 3D-Änderungskarte wird die Forschenden dabei unterstützen, die komplexen Gletscherprozesse nachzuvollziehen.

Die vierte Dimension Zeit
Ursprünglich war die Mission auf fünf Jahre angelegt. Die Zwillingssatelliten liefern nun auch nach mehr als 13 beziehungsweise 16 Betriebsjahren zuverlässig hochqualitative Radardaten und werden weiter genutzt, um 3D-Veränderungen in der Kryosphäre, den globalen Wäldern sowie in Großstädten weiter zu erfassen. Die nun verfügbaren TanDEM-X 30 m DEM Change Maps haben sämtliche topographischen Änderungen im Blick. Ziel ist es, möglichst lange Zeitreihen von DCMs zu erzeugen. Die Zeitachse soll die Änderungskarten künftig immer stärker in die vierte Dimension heben. Waldgebiete könnten dann zum Beispiel quantitativ analysiert und sogar ihr Aufwuchs erfasst werden.

Über die Mission
Die Missionen TerraSAR-X und TanDEM-X wurden im Auftrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz realisiert. Es sind die ersten deutschen Satelliten, die im Rahmen einer so genannten Public Private Partnership (PPP) zwischen dem DLR und der Airbus Defence and Space GmbH realisiert wurden. Das DLR ist für den Aufbau und Betrieb des Bodensegmentes zuständig sowie für die wissenschaftliche Nutzung der Daten und deren Verteilung an externe Forschende weltweit verantwortlich. Die Airbus Defence and Space GmbH beteiligte sich an den Kosten für Entwicklung, Bau und Einsatz der Satelliten. Die Programmlinie „Geo-Intelligence“ bei Airbus Defence and Space übernimmt die kommerzielle Vermarktung der Daten. Seit 2016 wird das Projekt im Rahmen einer Fortsetzungsvereinbarung mit Airbus weitergeführt.

An der Mission beteiligt ist das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme, das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung und die DLR-Einrichtung Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, die gemeinsam das „SAR-Center of Excellence“ bilden. Die Institute ergänzen sich durch eine Abdeckung aller relevanten Bereiche von der Sensortechnik und Missionsauslegung über die hochgenaue operationelle Prozessierung bis hin zu den veredelten Nutzerprodukten. Zusammen mit dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum des DLR sind sie zudem zuständig für den Aufbau des Bodensegmentes, also die Infrastruktur zum Betrieb der Satelliten und die Verarbeitung der Daten. Die wissenschaftliche Leitung obliegt dem DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme in Oberpfaffenhofen.

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• TanDEM-X auf Dnepr

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Quelle: GFZ 24. Januar 2023.

24. Januar 2023 – Daten kommen aktuell insbesondere von den beiden GRACE-FO Satelliten, die in Kooperation mit der NASA betrieben werden. Für diese Satellitenmission wird NYA sogar als primäre Empfangsstation eingesetzt, was auch für die Nachfolgemission, die 2028 starten soll, geplant ist.

Als Teil der modularen Infrastruktur MESI des GFZ (Modular Earth Science Infrastructure) werden in Ny-Ålesund aber auch noch weitere Satelliten mit unterschiedlichen Kooperationspartnern empfangen. Bisher wurden an der Station dafür ausschließlich Frequenzen im S-Band (ca. 2.2-2.45 GHz) genutzt, die auch weiterhin bei vielen Satellitenmissionen für die Übertragung der an Bord der Satelliten gemessenen Daten zur Erde zum Einsatz kommen werden. Üblich sind dabei Datenraten von z.B. 3 Megabit pro Sekunde, wie bei den beiden GRACE-FO Satelliten. Die im S-Band verfügbaren Bandbreiten, und damit die möglichen maximalen Datenraten, sind allerdings begrenzt – bedingt durch eine globale Regulierung der Frequenz-Bandbreiten – und insbesondere für Satellitenprojekte mit höherem Datenaufkommen gegebenenfalls nicht ausreichend.

Um auch solche Satellitenprojekte unterstützen zu können, wurde eine der beiden Antennen an der Empfangsstation des GFZ für den Empfang von Satelliten im X-Band (ca. 7.9 – 8.4 GHz) aufgerüstet. Im X-Band stehen deutlich höhere Bandbreiten für Datenübertragungen zur Verfügung und der X-Band Empfang in Ny-Ålesund kann jetzt sogar simultan mit dem Empfang der gleichen Satelliten im S-Band erfolgen, was von vielen Satelliten unterstützt wird (z.B. TerraSAR-X und TanDEM-X des DLR). Außerdem kann neben der zumeist verwendeten RHC-Polarisation (right hand circular) auch die LHC-Polarisation (left hand circular) gewählt werden, und das in beiden Bändern unabhängig voneinander. Die Konstruktion und der Bau des für den Empfang notwendigen Konverters (setzt die X-Band Frequenzen auf niedrigere Frequenzen um) erfolgte durch das GFZ, ebenso wie die Integration und Steuerung aller anderen benötigten Systeme in Ny-Ålesund (Vorverstärker, Empfänger, Software usw.).

An der Empfangsstation konnte nun erstmals Ende November 2022, und seitdem beinahe täglich, im Rahmen eines Kooperationsvertrags mit der TU-Berlin, deren Mikrosatellit TUBIN (Masse nur 22,5 Kg) im X-Band empfangen werden. TUBIN wurde von wissenschaftlichen Mitarbeiter*innen und Studierenden an der TU-Berlin entwickelt und gebaut. Er trägt neben zwei Kameras für den Infrarot-Bereich, zur Detektion von größeren Wärmequellen, wie insbesondere Waldbränden, auch eine Kamera für Aufnahmen im sichtbaren Bereich. Die Datenrate für die Übertragung der von TUBIN aufgenommenen Bilder zur Empfangsstation beträgt 25 Megabit/Sekunde und ist damit rund achtmal so hoch wie bei GRACE-FO. Für die Empfangsstation wären sogar noch höhere Datenraten möglich. Der am GFZ gebaute Konverter ist sehr breitbandig ausgelegt und der eingesetzte Empfänger kann bis zu 500 Megabit/Sekunde empfangen.

Durch den regelmäßigen X-Band Empfang von TUBIN an der GFZ-Empfangsstation profitiert nicht nur das TUBIN-Projekt, sondern auch das GFZ, denn auf diese Weise können wertvolle Erfahrungen für den auf höheren Frequenzen technisch anspruchsvolleren Empfangsbetrieb gesammelt werden. In einem nächsten Schritt soll auch die zweite Antenne der Station für den Empfang im X-Band erweitert werden. Damit könnten dann nicht nur Satellitenprojekte mit höheren Datenraten im universitären Bereich unterstützt werden, sondern auch größere Projekte für die Redundanzen unabdingbar sind.

Übersichtsartikel zum Satellitenempfang in Ny-Alesund:
Falck, C., Reißland, S., Snopek, K., Massmann, F.-H. (2020): Satellite data reception at Ny-Ålesund, Spitsbergen: From CHAMP to GRACE Follow-On. – ZfV: Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, 145, 2, 111-117. https://geodaesie.info/images/zfv/145-jahrgang-2020/downloads/zfv_2020_2_Falck_et-al.pdf

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• Transporter-2 auf Falcon 9 (B1060.8)

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Quelle: DLR.

28. Januar 2022 – Der Südpol hat neue Sorgenkinder. Eine Gruppe von kleineren Gletschern schmilzt schneller als erwartet: Pope, Smith und Kohler. Bisher standen die benachbarten Eisgiganten Thwaites und Pine Island im Fokus der Forschung, da sie sehr fragil sind und den globalen Meeresspiegel um bis zu 1,2 Meter ansteigen lassen könnten. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat die Veränderungen in der Westantarktis gemeinsam mit internationalen Forschungspartnern aufgedeckt und analysiert. Den Ursachen für die rapiden Abschmelzungen der kleineren Gletscher kamen sie mithilfe spezieller Radardaten der Satellitenmissionen TanDEM-X und COSMO-SkyMed auf die Spur.

Die gewonnenen Erkenntnisse sind wichtig, um Gletscherprozesse besser zu verstehen und so die Entwicklung der gesamten Antarktis vorherzusagen. Klimaforschende können dann künftig noch genauer berechnen, wie stark der Meeresspiegel ansteigen wird und welche Schutzmaßnahmen am wirkungsvollsten sind. Die neue Studie ist aktuell im Fachjournal „Nature Geoscience“ veröffentlicht. Sie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit von der University of Houston, dem DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme, der University of California, der Université Grenoble Alpes sowie der italienischen Raumfahrtagentur ASI.

Komplexe Schmelzprozesse
Die Gletscher Pope, Smith und Kohler sind in den letzten 30 Jahren deutlich geschrumpft: Sie sind dünner geworden, haben Schelfeis an den Ozean verloren und sich weiter ins Land zurückgezogen. Auffällig war hier der Rückgang der Aufsetzlinie, also die Grenze, an der das Eis den Kontakt zum Festland verliert und beginnt, auf dem Meer zu schwimmen. Daher richteten die Radar-Expertinnen und -Experten ein Augenmerk auf diesen Übergangsbereich. So konnten sie auch erstmals drastische Veränderungen des Pope-Gletschers nachweisen, der sich 2017 innerhalb von nur drei Monaten mit einer Geschwindigkeit von 11,7 Kilometer pro Jahr zurückzog.

Erdbeobachtungssatelliten sind für die Gletscher- und Klimaforschung unverzichtbar geworden. „Früher mussten wir jahrelang warten, bis wir endlich verwertbare Daten zu den Polregionen hatten. Dank der hochleistungsfähigen Satellitenmissionen TanDEM-X und COSMO-SkyMed können wir die Polregionen heute im Monatsrhythmus analysieren. Aus den Aufnahmen und mit neuen Methoden zur Datenauswertung gewinnen wir zudem eine völlig neue Ebene an Details, um Gletscher- und Klimamodelle weiter zu verbessern“, erzählt DLR-Gastwissenschaftler Prof. Pietro Milillo von der University of Houston, Texas. Durch die gezielte Analyse von TanDEM-X-Zeitreihen konnten sie die Veränderungen sogar im Zwei-Wochen-Takt statt alle vier Wochen nachvollziehen.

Die neue Studie liefert damit ein weiteres wichtiges Puzzleteil für die Gletscher- und Klimaforschung. Die physikalischen Schmelzprozesse von Pope, Smith und Kohler laufen ja bei den anderen Gletschern rund um die Amundsen-See identisch ab. Die Riesen Thwaites und Pine Island könnten mit ihren hohen Masseverlusten die restliche Westantarktis destabilisieren, mit verheerenden Folgen für das Leben auf der Erde. Wenn Klimamodelle künftig berücksichtigen, wie stark eine schwimmende Eisplatte von unten schmilzt, könnten sie auch den Rückgang von Gletschern noch genauer bestimmen.

Schlüsselprozess: Abschmelzen der freischwimmenden Gletscherunterseite
Die Unterseite eines Gletschers entzieht sich unseren Blicken, sodass der Eisverlust nicht direkt messbar ist. Mithilfe von digitalen TanDEM-X-Höhenmodellen konnten die Wissenschaftler diese verborgene Schmelzrate nun genau bestimmen. Während zum Beispiel der Smith-Gletscher über Land im Zeitraum von 2011 bis 2019 etwa fünf Meter pro Jahr abschmolz, betrug die Schmelzrate an der frei schwimmenden Gletscherunterseite ungefähr 22 Meter pro Jahr. An bestimmten Stellen wies Smith sogar Schmelzraten von mehr als 100 Meter pro Jahr auf, mit einem Spitzenwert von 140 Meter pro Jahr in 2016.

Einige Untersuchungen mit Klimamodellen bestätigten, dass die Computerberechnungen der Aufsetzlinie nur dann mit den tatsächlichen Messungen übereinstimmen, wenn sie die neuen Werte der Schmelzrate miteinkalkulieren. Darüber hinaus haben die neuen Radardaten und Erkenntnisse den Forschungsverbund International Thwaites Glacier Collaboration maßgeblich dabei unterstützt, Messkampagnen vorzubereiten und geeignete Stellen für Testbohrungen auszuwählen.

„Für die Bestimmung der Abschmelzraten haben wir am DLR zusätzlich mehr als 240 digitale TanDEM-X-Höhenmodelle erzeugt, die die Westantarktis von 2011 bis 2019 hochgenau abbilden“, sagt Co-Autorin Dr. Paola Rizzoli vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme. Dazu gehört eine eingespielte Produktion: Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum ist für den Betrieb von TerraSAR-X und TanDEM-X verantwortlich und kommandiert die Zwillingssatelliten für die benötigten Aufnahmen. Aufgezeichnet werden die Radardaten vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum an seinen Empfangsstationen in Neustrelitz, Inuvik (kanadische Arktis) und GARS O’Higgins (Antarktis). Das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung liefert die Eingangsdaten für die automatisierte TanDEM-X-Prozessierungskette. Die interferometrische Prozessierung, Geokodierung und Kalibrierung der TanDEM-X-Aufnahmen wurde am DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme implementiert und durchgeführt.

Zukunft L-Band
Die Spitzenposition Deutschlands im Bereich Radarforschung und Radartechnologie ermöglicht die Entwicklung einer neuen Generation von Radarsatelliten, die die dringend benötigten Datengrundlagen für Forschung und Weltgemeinschaft erweitern. Dadurch können Wissenslücken geschlossen und Lösungen für globale gesellschaftliche Herausforderungen erarbeitet werden. Die technischen wie auch wissenschaftlichen Kompetenzen können für künftige Satellitenmissionen, vor allem im L-Band, weiter ausgebaut werden.

Radarsatelliten mit einem langwelligen Frequenzbereich haben den Vorteil, dass sie auch durch Vegetation hindurch bis zum Boden blicken können. In den Polregionen könnte eine Radarmission im L-Band Gletscherstrukturen und dynamische Prozesse wie das Abschmelzen noch genauer abbilden. Deutschland könnte hier weiter neue Maßstäbe in der Erdbeobachtung setzen, den globalen Wandel mit einer neuen Qualität beobachten und wichtige Handlungsempfehlungen ermöglichen.

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• TanDEM-X auf Dnepr

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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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Quelle: DLR.

Ein Forschungsteam der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) untersuchte die Flächen- und Höhenänderungen aller Gletscher der europäischen Alpen über einen Zeitraum von 14 Jahren. Dazu verglichen sie dreidimensionale Geländemodelle der deutschen Radarsatellitenmission TanDEM-X und der deutsch-amerikanischen Shuttle-Radar Topography Mission (SRTM) aus der Zeit zwischen 2000 und 2014. Die Höhenmodelle kombinierte das Team mit optischen Aufnahmen der Landsat-Satelliten der NASA. Das Ergebnis: Ungefähr 17 Prozent des gesamten Eisvolumens der Alpen gingen seit der Jahrtausendwende verloren. Die Erkenntnisse veröffentlichte das Team kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Ein Verlust an Eisvolumen von 17 Prozent entspricht mehr als 22 Kubikkilometern. Das ist größer als das Siebenfache des Wasservolumens des Starnberger Sees. Außer den höchsten Erhebungen der Zentralalpen erreicht die Eisschmelze bereits auch höher gelegene Gletscherregionen und die Tendenz setzt sich fort.

Die stärksten Verluste traten in den Gebirgsmassiven der Schweizer Alpen auf. Allein die großen Talgletscher der Berner Alpen verloren im Zeitraum von 2000 bis 2014 etwa 4,8 Gigatonnen Eismasse. Die Eisdicke ging im Durchschnitt um 0,72 Meter pro Jahr zurück. Das entspricht einem Volumen von knapp fünf Kubikkilometern. Lokal waren die Schmelzraten in den unteren Gletscherbereichen sogar um ein Vielfaches höher. Ein Beispiel stellte der größte Gletscher der Alpen auf, der Große Aletsch-Gletscher: Dort schrumpfte die Gletscheroberfläche nahe der Gletscherfront durch Abschmelzen jährlich um bis zu fünf Meter und mehr.

Zu diesen Ergebnissen kam das Team des FAU-Instituts für Geographie durch die Kombination der Daten aus den drei Erdbeobachtungsmissionen TanDEM-X, SRTM und Landsat. Entscheidender Vorteil des Verfahrens war, dass annähernd gleichzeitige Flächen- und Höhenmessungen verglichen werden konnten. Ähnliche Studien aus anderen Gebirgsregionen der Erde gehen in der Regel von einer konstanten vergletscherten Fläche während eines Beobachtungszeitraums aus. Besonders in hochdynamischen Gletscherregionen wie den europäischen Alpen kann dies zu einer deutlichen Unterschätzung der tatsächlichen Massenbilanz führen.

Die Radarsatellitenmission TanDEM-X
Die Mission TanDEM-X wurde im Auftrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) in öffentlich-privater Partnerschaft mit Airbus Defence and Space ins Leben gerufen. Das DLR ist verantwortlich für die wissenschaftliche Nutzung der TanDEM-X-Daten sowie für die Planung und Durchführung der Mission, die Steuerung der beiden Satelliten und die Erzeugung des digitalen Höhenmodells.

An der Mission TanDEM-X beteiligt sind das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme als wissenschaftliche Leitung, das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung (IMF) und die DLR-Einrichtung Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) am Standort Oberpfaffenhofen. Zusammen decken sie alle relevanten Arbeitsfelder der Mission ab: Sensortechnik, Missionsauslegung, hochgenaue operationelle Prozessierung der Daten und Erstellung von für den Nutzerbedarf optimierten Produkten. Zusammen mit dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum des DLR sind sie zudem für die Infrastruktur, die den Betrieb der Satelliten ermöglicht, das sogenannte Bodensegment, sowie für die Datenverarbeitung zuständig.

Einen Rückblick auf zehn Jahre TanDEM-X, den Ausblick für die mögliche Zukunft der Erdbeobachtung mit Radarsatelliten sowie Servicelinks zum TDX Science Server und Datenzugang für das – zur wissenschaftlichen Nutzung freie – 90-Meter-Höhenmodell finden Sie hier.

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• TanDEM-X auf Dnepr

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Quelle: DLR.

Es ist heute kein Geheimnis mehr, dass sich unsere Umwelt seit Beginn der Industrialisierung rasanter verändert als zuvor. Die deutschen Satellitenmissionen TerraSAR-X und TanDEM-X liefern seit 2007 und 2010 einzigartige Erdbeobachtungsdaten, aus denen reichhaltige Erkenntnisse über unsere Umwelt gewonnen werden können. Wissenschaftliche Nutzer aus der ganzen Welt sind am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen zusammengekommen, um im Rahmen des „TerraSAR-X und TanDEM-X Science Meetings“ die aus den Daten gewonnenen Ergebnisse auszutauschen und Anforderungen an künftige Fernerkundungstechnologien zu formulieren. In mehr als 100 Präsentationen offenbart sich vom 21. bis 24. Oktober 2019 der neueste Stand der Forschung. Begleitend dazu stellt der TanDEM-X-Blog Vorträge aus dem „Science Meeting“ vor und skizziert, in welcher Weise die Daten der zwei Radarmissionen Forscher weltweit unterstützen.

„Die Teilnahme von mehr als 250 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus 40 Ländern ist ein Beleg für das große Interesse an den Daten beider Satellitenmissionen. Auch wenn heute mehr als 25 Radarsatelliten im Einsatz sind, ist nur TanDEM-X mit seinem einzigartigen Formationsflug in der Lage, Bilder in 3D und in hoher Auflösung zur Verfügung zu stellen“, sagt Prof. Dr.-Ing. Alberto Moreira, Direktor des DLR-Institutes für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme und Principal Investigator der TanDEM-X-Mission.

Anwendungen in der Forschung
Radarsensoren haben für die Erdbeobachtung besondere Bedeutung, da sie unabhängig vom Wetter und zu jeder Tages- oder Nachtzeit Aufnahmen liefern. Vom Weltall aus können sie große Gebiete, mehr als hundert Kilometer lang, erfassen. Die zivilen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X sind aktuell noch im Betrieb und könnten noch mehrere Jahre für die Forschung genutzt werden.

Internationale Forschungseinrichtungen und Organisationen verwenden die bisherigen Daten, um beispielsweise Naturgefahren wie Erdbeben, Vulkanausbrüche und Tsunamis zu analysieren. „Hochauflösende und langfristige Datenerfassungspläne sind unerlässlich, um Vulkangefahren zu untersuchen und damit zu einem verbesserten Frühwarnsystem beizutragen“, erklärt Dr. Thomas Walter vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ.

Am 22. Dezember 2018 traf ein heftiger Tsunami die indonesische Vulkaninsel Krakatau, der Hunderte von Menschen tötete und die Küstenregionen von Java und Sumatra verwüstete. Aufgrund der schlechten Witterungsbedingungen und der intensiven Vulkanaktivitäten waren direkte Einblicke in den Vulkan nicht möglich und die Einzelheiten unklar. Die TerraSAR-X-Radaraugen haben in dieser Situation dazu beigetragen, die tiefgreifenden Veränderungen durch die Katastrophe von Anak Krakatau 2018 besser zu verstehen. Der Zusammenbruch des Vulkans wurde auch durch unabhängige seismische und Infraschalldaten beobachtet, doch erst die TerraSAR-X-Daten lieferten die nötige Auflösung. So war es den Wissenschaftlern anhand der Radardaten möglich, morphologische Details des Zusammenbruchs auszuwerten, eine Zunahme des Inselumfangs in anderen Teilen nachzuvollziehen und das Gebiet nach dem Absetzen des neuen vulkanischen Materials zu untersuchen.

Gletscherbeobachtung im Detail
Der Blick aus dem All kann auch sehr genaue Auskünfte über die Veränderungen von Gletschern und Eisschilden geben. Die teils drastischen Entwicklungen müssen regelmäßig beobachtet werden und sind im Zusammenhang der globalen Erderwärmung zu sehen. Einen wahren Datenschatz liefert hier das TanDEM-X-Höhenmodell – noch nie zuvor wurden Grönland und die Antarktis umfassend und mit so hoher Genauigkeit vermessen.

Grönlands schnellster Gletscher, Jakobshavn Isbrae, produziert das größte Volumen an Eisbergen der nördlichen Hemisphäre. In den letzten zwei Jahrzehnten hat dieser Gletscher seine Geschwindigkeit mehr als verdoppelt, so dass er allein in den Jahren 2000 bis 2010 den Meeresspiegel um einen Millimeter erhöht hat. Die Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X begannen 2009 mit der intensiven Überwachung dieses Gletschers und zeigten die enormen und unerwarteten Geschwindigkeitsschwankungen (siehe Abbildung).

„Dieselben Prozesse, die zur jährlichen Variation beitragen, werden den Gletscher auch in Zukunft beschleunigen, da sich das Klima weiter erwärmt. Daher ist die langfristige Überwachung der Gletscher Grönlands und der Antarktis durch Fernerkundungssatelliten so wichtig, um zu verstehen, wie sich der Meeresspiegel auf die Küstengemeinden der Welt auswirken wird“, erzählt Ian Joughin vom Polar Science Center des Applied Physics Lab von der University of Washington.

Globaler Überblick: Kohlenstoffspeicher Wald
Einen immanenten Einfluss auf das Klima haben auch unsere Wälder, indem sie als eines der wichtigsten Kohlenstoffspeicher fungieren. Bei Veränderungen wie Abholzung oder Brandrodung kann es schnell zu einem Ungleichgewicht kommen. Wieviel Kohlenstoff gespeichert wird, hängt unter anderem von der Baumhöhe ab. DLR- und NASA-Wissenschaftler arbeiten an der Erstellung einer einzigartigen globalen Waldhöhenkarte: Die NASA-Wissenschaftler arbeiten mit dem GEDI-System (Global Ecosystem Dynamics Investigation), das regional begrenzte aber sehr genaue Waldhöhendaten liefert. Das DLR-Team erstellt die Waldhöheninformationen aus der TanDEM-X-Mission, die die Daten global aber in einer reduzierteren Genauigkeit liefern kann. Einzigartig ist die Verschneidung dieser beiden Datensätze zu einem hochgenauen globalen Waldhöhenprodukt. Beim „Science-Meeting“ in Oberpfaffenhofen werden nun erste Ergebnisse dieser Kooperation gezeigt.

„Das Wissen über die genauen Waldhöhen wird die regionalen und globalen Klimamodelle zur Prognose von freiem Kohlenstoffdioxid signifikant verbessert“, erklärt DLR-Wissenschaftler Kostas Papathanassiou vom Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme.

Blick in die Zukunft: Tandem-L
Ziel der hochinnovativen Radarmission Tandem-L ist es, wichtige Umwelt- und Klimaparameter global und in hoher zeitlicher Auflösung zu erfassen: Alle acht Tage sollen zwei Radarsatelliten die Landmasse der Erde dreidimensional abbilden. Dadurch können dynamische Prozesse der Erde zeitnah und systematisch erfasst werden. Erdbebenforscher und Risikoanalysten wären in der Lage, Deformationen der Erdoberfläche millimetergenau zu verfolgen. Gletscherbewegungen und Schmelzprozesse in den Polarregionen könnten regelmäßig und dadurch noch genauer ermittelt werden. Die Erdbeobachtungsdaten der drei Radarsysteme sollen sich komplementär ergänzen.

Im Vergleich zu den beiden aktuellen Missionen wird Tandem-L mit einer längeren Wellenlänge betrieben. Mit der Wellenlänge von rund 24 Zentimeter kann die Vegetation durchdrungen werden, so dass die Flächenstrukturen des Untergrunds sichtbar werden. Dank neuer Technologien und Aufnahmeverfahren, wie der polarimetrischen SAR-Interferometrie, kann auch ein Wald dreidimensional kartiert werden. Hieraus werden dann die Waldhöhen berechnet und die Biomasse indirekt abgeschätzt – auf globaler Ebene ist dies bisher nicht möglich.

Wissenschaftler unterschiedlicher Helmholtz-Zentren, die an den Vorstudien der Mission beteiligt sind, stellen nun ihre Ergebnisse in Oberpfaffenhofen vor und erörtern, welche tragende Rolle Tandem-L zur Beantwortung von umweltrelevanten Herausforderungen spielen kann. Mit dem „TerraSAR-X und TanDEM-X Science Meeting“ steht den insgesamt 250 internationalen Teilnehmern eine Plattform zur Verfügung, den gemeinsamen Forschungsbedarf zu identifizieren und die Zukunft der Erdbeobachtung einzuleiten.

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Quelle: DLR.

Auf lokaler Ebene, in den tropischen Regionen zwischen Bolivien und Venezuela, sichert das Schmelzwasser der Gletscher die Trinkwasserversorgung während der Trockenzeit. Die grundlegenden Daten über die Massenveränderung der Gletscher sind jedoch nicht einfach zu beschaffen. Dabei tragen die Massenverluste global gesehen auch zum Anstieg des Meeresspiegels bei. Wie ein neues Analyseverfahren unter Verwendung von TanDEM-X-Daten zeigt, gilt das vor allem für Patagonien.

Üblicherweise müssen die Wissenschaftler die Gletschermassenänderungen vor Ort vermessen – problematisch bei großen und unzugänglichen Gebieten. Allein die patagonischen Eisfelder haben eine Gesamtfläche von fast 18.000 Quadratkilometer und liegen an der Grenze zwischen Chile und Argentinien in den Anden. Alternativ geben Schwerefeld-Messungen per Satellit Aufschluss über die Massenbilanz. Eine Methode, die sich jedoch nicht für Gletscher in tropischen Regionen mit geringer Eisbedeckung eignet. TanDEM-X bietet nun die Möglichkeit die Massenbilanz von Gletschern per Radarfernerkundung zu bestimmen – mit einem einheitlichen Messverfahren und so genau wie nie zuvor. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben eine spezielle Verarbeitungsmethode entwickelt und konnten damit aus den Radardaten erstmals ein detailliertes Bild der Massenänderungen sämtlicher Gletscher Südamerikas gewinnen.

Ganze Gletscher verschwunden
Die FAU-Studie zeigt, dass die patagonischen Eisfelder die größten Verluste erlitten haben – Neben den Massenverlusten der großen Eisfelder sind bereits ganze Gletscher verschwunden. Zwischen 2000 und der Zeitspanne 2011-2015 schrumpfte das patagonische Inlandeis jährlich um rund 17,4 Gigatonnen. Das entspricht einem Rückgang von 19,3 Kubikkilometer pro Jahr und übertrifft selbst den Massenverlust von Gletschern, die in den Tropen liegen. Die Analyse der TanDEM-X-Daten bestätigt vorangegangene Untersuchungen und offenbart nun eine dramatische Entwicklung, wie sie bislang nur für Gebiete in Bolivien und Peru bekannt war.

Die TanDEM-X-Geländemodelle erfassen Höhenunterschiede mit einer Genauigkeit von einem Meter. So lassen sich selbst einzelne Gletscher präzise untersuchen. Die FAU-Geographen aus den Bereichen Fernerkundung und Geoinformation sowie physikalische Klimatologie um Prof. Dr. Matthias Braun und Dr. Tobias Sauter nutzen diese Daten aus dem Zeitraum 2011-2015 und verglichen sie mit Aufnahmen der Shuttle Radar Topographie-Mission aus dem Jahr 2000. Aus der Differenz berechneten sie, in einem komplexen Verfahren, zunächst die Höhenveränderungen der Gletscher und daraus die Veränderungen der Gletschermasse. Dank der hochauflösenden TanDEM-X Daten und der neuen Verarbeitungsmethode war es den FAU-Forschern somit erstmals möglich, die großen patagonischen Inlandeisflächen getrennt von den umliegenden Gletschern zu analysieren. Die Ergebnisse der weitreichenden Studie wurden im Fachmagazin „Nature Climate Change “ veröffentlicht und finden möglicherweise Eingang in den nächsten Bericht des Weltklimarats.

Fortsetzung TanDEM-X und Tandem-L
Derzeit läuft eine Aktualisierung des globalen Geländemodells der TanDEM-X-Mission – die Erlanger Forscher hoffen daher, von diesen Daten in Zukunft noch mehr profitieren zu können. Sie möchten ihre Analysen auch auf andere Regionen ausdehnen und vor allem zeitlich fortschreiben. Eine weitere Hoffnung der Geographen ruht auf Tandem-L, der Nachfolgemission zu TanDEM-X. Ziel von Tandem-L ist es, die Landmasse der Erde im Wochenrhythmus abzubilden. Im L-Band-Frequenzbereich von 23,6 Zentimeter könnten die Radarsignale der neuartigen Satelliten durch die Vegetation durch und in den Erdboden hineindringen. So sollen Radar-Tomographische-Aufnahmen ein Bestandteil der Tandem-L-Mission sein, um eine noch genauere Erfassung der Gletschermassen zu ermöglichen. Künftig könnten die FAU-Wissenschaftler die Gletschergebiete in Südamerika zeitlich und räumlich hochgenau beobachten und weitere wertvolle Erkenntnisse daraus erarbeiten.

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Quelle: DLR.

Wie der Blick aus dem All verrät, ist die Landmasse der Erde heute zu rund einem Drittel von Wäldern bedeckt. Dabei fehlt bereits mehr als die Hälfte des weltweiten Bestands, die der Abholzung insbesondere seit Mitte des 20. Jahrhunderts zum Opfer gefallen ist. Um den aktuellen Zustand sowie die Entwicklungen des „grünen Organs“ genau beobachten, bewerten und schützen zu können, hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) einen besonderen Datensatz erstellt: die globale TanDEM-X-Waldkarte. Dazu wurden interferometrische Daten genutzt, die für das globale Höhenmodell der deutschen Radarsatellitenmission TanDEM-X aufgenommen wurden, und Algorithmen aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz zur globalen Datenverarbeitung entwickelt. Diese wurden für verschiedene Waldtypen anhand von Baumhöhen, Dichte und Struktur optimiert. Das Ergebnis ist eine Karte, die bei einer Auflösung von 50 Metern die Ausdehnung bewaldeter Flächen darstellt. Die globale TanDEM-X-Waldkarte des DLR steht wissenschaftlichen Nutzern ab sofort frei zur Verfügung.

Radarsatelliten können unabhäging von Wetter oder Tageszeit Aufnahmen erstellen – ein besonderer Vorteil bei der Kartierung von tropischen Wäldern, die meist von Wolken bedeckt sind. Die TanDEM-X-Waldkarte schließt bisherige Datenlücken und liefert erstmals einen einheitlichen Überblick der Regenwälder in Südamerika, Südostasien und Afrika. Die Erkenntnisse sind für Behörden und Wissenschaftler gleichermaßen bedeutsam, da diese Gebiete vor illegaler Abholzung geschützt und als mächtige Kohlenstoff-Speicher erhalten werden müssen.

Anhand der neuen Karte lässt sich entsprechend auch die Biomasse-Konzentration von Wäldern genauer bestimmen – ein Schlüsselfaktor im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die globale TanDEM-X-Waldkarte schafft damit eine wichtige Datengrundlage für Forschungen zum globalen Wandel und bietet darüber hinaus auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Regionalentwicklung sowie der Raumplanung. In Hinblick auf die gesellschaftlichen Herausforderungen des globalen Wandels lassen sich schließlich auch genauere Vorhersagen und geeignete Maßnahmen ableiten.

Big Data und Künstliche Intelligenz
Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme hat für das Projekt insgesamt mehr als 400.000 Datensätze verarbeitet, die im Zeitraum von 2011 bis 2015 im Rahmen der TanDEM-X-Mission aufgenommen wurden. Um aus den riesigen Datenmengen die gewünschte Information „Wald“ zu gewinnen und klassifizieren zu können, haben die Radarexperten spezielle Algorithmen entwickelt, die zuerst jede einzelne Aufnahme individuell auswerten und anschließend zu einer globalen Karte zusammenfügen. Diese Algorithmen basieren auf maschinellem Lernen aus dem Bereich der künstliche Intelligenz und können in der Zeitschrift „Remote Sensing of Environment“ (Volume 205, Februar 2018) nachgelesen werden. Künftig können so auch neue Satellitendaten ausgewertet und beispielweise in Form von Zeitreihen-Analysen mit der TanDEM-X-Waldkarte verglichen werden.

Um die gerechneten Ergebnisse zu validieren und die Waldflächen mit noch höherer Genauigkeit von den Nicht-Waldflächen abzugrenzen zu können, nutzen die Entwickler zusätzliche Fernerkundungsdaten. Dazu gehören insbesondere der „Global Urban Footprint“, eine globale Karte von Siedlungsgebieten die am Earth Observation Center (EOC) des DLR erstellt wurde, sowie die Gewässerkartierung der Climate Change Initiative der ESA. Die globale TanDEM-X-Waldkarte wird im Deutschen Satellitendatenarchiv des EOC verwaltet und den Nutzern bereitgestellt. Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) ist für den Betrieb der Radarsatellitenmission TanDEM-X verantwortlich.

Tandem-L: Waldmonitoring der Zukunft
Die Abschätzung und das Monitoring von Waldressourcen ist eine zentrale Aufgabe von gegenwärtigen und kommenden Radarsatellitenmissionen. Insbesondere Tandem-L, ein Vorschlag für eine hochinnovative Satellitenmission, könnte globale Waldkarten künftig im Wochentakt erstellen und daraus Waldhöhe, Struktur und Biomasse ableiten. Mithilfe seiner neuartigen Bildgebungstechnologie und der daraus resultierenden gewaltigen Aufnahmekapazität ist Tandem-L dafür konzipiert, weitere dynamische Umweltprozesse auf der Erdoberfläche zu beobachten. Die Mission soll neue Maßstäbe in der Erdbeobachtung setzen und damit einen wirkungsvollen Beitrag zur Bewältigung der globalen gesellschaftlichen Herausforderungen leisten.

Animationen:
Animation: Globale TDX-Waldkarte mittlere AuflösungAnimation: Globale TDX-Waldkarte hohe Auflösung

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Quelle: ESA.

Wenn wir an den Klimawandel denken, assoziieren wir häufig schmelzendes Polareis damit. Allerdings ist der Eisverlust nicht nur auf die Polargebiete beschränkt: Einer heute veröffentlichten Studie zufolge haben sich weltweit mehr als 9 Billionen Tonnen Eis seit 1961 verflüssigt und den Meeresspiegel um 27 mm erhöht.

Aktuelle Gletscherstudie: Größte Verluste in Alaska
Das internationale Forschungsteam unter der Leitung der Universität Zürich kombinierte glaziologische Feldbeobachtungen mit geodätischen Satellitenmessungen und berechnete Veränderungen der Eisdicke von 19 Gletscherregionen weltweit.

Ihre Studie zeigt, dass Gletscher zwischen 1961 und 2016 9625 Gigatonnen Eis verloren haben. Die Ergebnisse wurden im renommierten Wissenschaftsmagazin „Nature“ veröffentlicht.

Die größten Verluste an Eis sind zeigen die Gletscher in Alaska auf, gefolgt von Gletschern am Rande des grönländischen Inlandeises und von Gletschern in den südlichen Anden. Signifikante Eisenmengen gingen auch in den Gletschern der kanadischen und russischen Arktis sowie in Svalbard verloren. Die Gletscher in den europäischen Alpen und im Kaukasus sind ebenso von starken Eisverlusten betroffen, leisten wegen ihrer kleinen Fläche allerdings keinen erheblichen Beitrag zum Anstieg des globalen Meeresspiegels.

Das einzige Gebiet, das in den letzten 55 Jahren einen Eisanstieg verzeichnete, ist Südwestasien (auf der Karte als ASW vermerkt). Dort ist eine Zunahme von 119 Gigatonnen Eis zu verzeichnen, während die benachbarten südostasiatischen Länder (ASE) etwa die gleiche Menge, 112 Gigatonnen, an Eis verloren haben.

Rolle der ESA-Klimaschutzinitiative
Die ESA-Klimaschutzinitiative war ebenfalls ein wichtiger Bestandteil der Forschungsarbeit. Dabei handelt es sich um ein Forschungsprogramm, das sich auf die Erstellung globaler Datensätze für die Kernkomponenten des Weltklimas konzentriert, die als essentielle Klimavariablen bekannt sind.

Gemeinsam mit dem ehemaligen GlobGlacier-Projekt der ESA stellte das Gletscherprojekt der Initiative die Umrisse der Gletscher und Informationen über die Veränderungen der Eismasse für Tausende von Einzelgletschern bereit.

Frank Paul, Co-Autor der Studie, erklärt: „Um exakte Berechnungen für die betroffenen Gebiete durchführen zu können, sind Gletscherumrisse unerlässlich. Bisher stammten diese Informationen hauptsächlich von den US-amerikanischen Landsat-Satelliten, deren Daten im Rahmen des ESA-Missionsvertrags mit Drittanbietern an europäische Nutzer geliefert werden.

„So wird in Zukunft insbesondere die Copernicus Sentinel-2 Mission verstärkt zur genauen Überwachung der Gletscherveränderungen beitragen.“

Kombination verschiedener Messmethoden
Die Berechnung digitaler Höhenmodelle, die topografische Details einer Region liefern, erfolgte aus Informationen des JAXA-Sensors ASTER, der bei der US-Mission Terra und der deutschen Mission TanDEM-X zum Einsatz kam. Aufgearbeitet wurden beide Ressourcen im Rahmen der Glaciers Klimawandel-Initiative und anderer Projekte.

Zusammen mit der umfassenden Gletscherdatenbank des World Glacier Monitoring Service konnten die Forscher die Veränderungen der Eisdicke von 19 000 Gletschern weltweit rekonstruieren.

Mit der Kombination dieser Messverfahren und dem neuen umfangreichen Datensatz kann abgeschätzt werden, wie viel Eis in allen Gebirgsregionen seit den 1960er Jahren verloren gegangen ist.

Die glaziologischen Messungen vor Ort liefern jährliche Schwankungen, während mit den Satellitendaten der Gesamteisverlust über mehrere Jahre oder Jahrzehnte bestimmt werden kann.

Studienleiter Michael Zemp von der Universität Zürich erklärt: „Wir können zwar nun klare Informationen darüber liefern, wie viel Eis jede Gletscherregion verloren hat, aber es ist auch wichtig zu beachten, dass der globale Massenverlust von Gletschereis in den letzten 30 Jahren deutlich zugenommen hat. Derzeit verlieren wir jährlich insgesamt 335 Milliarden Tonnen Eis, was einem Anstieg des Meeresspiegels um fast 1 mm pro Jahr entspricht.“

Wichtigkeit langfristiger Beobachtung
Zwar ist die Erwärmung des Ozeans nach wie vor der Hauptgrund für den Anstieg des Meeresspiegels, doch das schmelzende Gletschereis stellt den zweitgrößten Faktor dar.

Dr. Zemp ergänzt: „Wir verlieren jedes Jahr das Dreifache des Volumens des in den europäischen Alpen gelagerten Eises, was etwa 30% des aktuellen Anstiegs des globalen Meeresspiegels ausmacht“.

Der zunehmende Eisverlust aller Gletscher auf der Welt führt letztlich auch zu weniger Wasser für Millionen von Menschen, weniger hydroelektrischer Energie und weniger Wasser für Pflanzen. Sie bewirkt nicht nur den Anstieg des Meeresspiegels, sondern erhöht auch das Risiko anderer Naturgefahren wie z.B. Gletscherseeausbrüche und damit verbundene Murgänge.

Um fundierte Anpassungsentscheidungen zu treffen, ist es sehr wichtig zu wissen, in welchem Tempo die Gletscher langfristig an Masse verlieren. Derartige Informationen sind für internationale Gremien zur Bewertung des Klimawandels, wie beispielsweise dem Intergovernmental Panel on Climate Change, von entscheidender Bedeutung.

Mark Drinkwater, Senior-Berater in der Meeres- und Eisforschungsabteilung der ESA: „Wenn man die sozioökonomischen Folgen bedenkt, ist das Schicksal der Gletscher in einem zukünftigen Klima eine ernstzunehmende Angelegenheit für die ESA“.

„Es ist wichtig, dass wir die bestehenden Überwachungskapazitäten durch die Copernicus Sentinel-Missionen und anderen Missionen der ESA und Drittanbieter aufbauen. Mit ihren Daten können wir eine robuste Klimaperspektive aufbauen, um regionale und jährliche Veränderungen der Gletscher und anderer Teile der Kryosphäre wie Schneedecke, Meereis und Eisschilde aufzuzeigen.“

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Quelle: DLR.

Ice Road Trucker in Kanada, sinnbildlich „am Ende der Welt“, sind mit ihren tonnenschweren LKW auf den zugefrorenen Seen im kanadischen Nordwesten dank zahlreicher TV-Auftritte auch in Deutschland bekannt.

Die Eisstraßen stehen nur wenige Wochen im Jahr zur Verfügung. In dieser Zeit werden tausende Tonnen Material über die „Eisautobahn“ bewegt, denn die vereisten Seen bieten im Winter als saisonale Straßen die Möglichkeit, abgelegene Gemeinden und Industrien in den kalten Regionen effektiv und wirtschaftlich effizient zu erreichen. Das Geschäft bleibt dennoch risikoreich – und der Klimawandel verstärkt die Schwierigkeiten der Eisstraßenbetreiber.

Eine Studie vom Canada Centre for Mapping and Earth Observation untersuchte den Nutzen von TanDEM-X für die Unterstützung des Eisstraßenmanagements. Das aktuelle TanDEM-X-Highlightbild veranschaulicht ein Ergebnis der Arbeit: Schnell fahrende Fahrzeuge führen zu wellenförmigen Hebungen und Senkungen der Eisdecke. Vor allem in flachen Gewässern können diese zu Eisdurchbrüchen führen und damit den sicheren Verkehr gefährden. Die Studie konzentrierte sich auf die Winterstraße Tibbitt-to-Contwoyto in den nordwestlichen Territorien Kanadas.

Die Abbildung wurde – unter Verwendung der Methode der differentiellen SAR-Interferometrie – aus zwei TanDEM-X-Datensätzen erzeugt, die im Abstand von zehn Sekunden aufgenommen wurden. Durch den Zeitabstand ist es möglich, vertikale Verschiebungen der Eisbedeckung, die durch den Verkehr verursacht werden, im Zentimetermaßstab mit einer hohen Detaildichte und -genauigkeit zu erkennen, wie sie von keiner anderen Technologie erreicht werden.

Radarsatelliten wie TanDEM-X sind nützliche Werkzeuge zur Sammlung von Informationen und unterstützen das Eisstraßenmanagement durch ihre Fähigkeit, die Eisstraßen in der Dunkelheit des Winters und unter widrigen Wetterbedingungen bildlich hochgenau zu erfassen.

Die Radartechnik erlaubt es, wetterunabhängig Daten zu erheben, da sie nicht von der optischen Erkennbarkeit abhängig ist: Schneefall, Regen, Dunkelheit spielen für Radaraufnahmen keine Rolle. Und dank ihrer relativ langen Wellenlänge ermöglichen Radarsatelliten, in das Eis hineinzuschauen und Aussagen über die Qualität und Beschaffenheit der Eisbedeckung zu machen.

Die Studie zeigte, dass TanDEM-X-Daten die Erforschung und das Management von Eisstraßen unterstützen können – im Speziellen, um das Einbrechen der Lastwägen zu verhindern, im englischen Sprachgebrauch auch Moving Vehicle Problem genannt. Die DLR-Winterkampagne PermASAR, die im März 2019 im Norden Kanadas stattfindet, soll einen hochmodernen Radar-Datensatz im X-, C- und L-Band liefern und damit unter anderem das Eisstraßenmanagement durch Radar-Erdbeobachtung unterstützen.

TanDEM-X – und dann?
Eine mögliche Nachfolgemission zu TanDEM-X hat das DLR bereits entworfen: Das Tandem-L-Missionskonzept sieht zwei Radarsatelliten vor, die im L-Band (23,6 Zentimeter Wellenlänge) arbeiten und dynamische Prozesse auf der Erdoberfläche erfassen sollen – global und systematisch.

Ziel von Tandem-L ist es, die Landmasse der Erde im Wochenrhythmus vollständig abzubilden. Bislang benötigt TanDEM-X ein ganzes Jahr dafür. Die Mission wird neue Maßstäbe in der Erdbeobachtung setzen, den globalen Wandel mit einer neuen Qualität beobachten und wichtige Handlungsempfehlungen ermöglichen. Mit der neuen Technologie könnten die dreidimensionalen Strukturen von Vegetations- und Eisgebieten erfasst sowie Deformationen großflächig mit Millimetergenauigkeit vermessen werden.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Astrium, DLR, Roskosmos.

Der Start der konvertierten ehemaligen Interkontinentalrakete vom Typ Dnepr erfolgte um 4:14 Uhr MESZ, vor Ort im kasachischen Baikonur war es 8:14 Uhr, als die Rakete aus ihrem Silo kam. Nachdem ein Schwarzpulvertreibsatz die ukrainisch-russische Rakete aus dem Silo der Startanlage 109/95 gedrückt hatte, zündete in rund zwanzig Metern Höhe die erste Stufe der Rakete. Das dreistufige, flüssigkeitsgetriebene Projektil spulte das vorgesehene Flugprogramm wie vorgesehen ab und setzte den Satelliten vierzehn Minuten später auf einer Umlaufbahn um die Erde aus.

Der erste Kontakt mit dem autonom fliegenden Satelliten mit einer Startmasse von 1.340 kg gelang um 4:45 Uhr MESZ der Bodenstation Troll in der Antarktis, obwohl der Satellit für die Station nur etwa 7 Grad über dem Horizont zu sehen war. Auf der geplanten sonnensynchronen Bahn in durchschnittlich 514 Kilometern über der Erde und mit einer Bahnneigung von 97,4 Grad gegen den Äquator soll sich TanDEM-X mindestens fünf Jahre einsetzen lassen. Das rund fünf Meter lange im Querschnitt sechseckige Raumfahrzeug mit einem größten Durchmesser von etwa 2,4 Metern hat die Aufgabe, die gesamte Landoberfläche der Erde mit seiner an Bord befindlichen Radaranlage abzutasten. Zur Erhöhung der Genauigkeit und zur Erfassung zusätzlicher Daten ist eine Zusammenarbeit von TanDEM-X mit dem am 15. Juni 2007 in den Weltraum transportierten Radarsatelliten TerraSAR-X vorgesehen.

Zusammen können die beiden von Astrium in Friedrichshafen gebauten, auf dem Flexbus basierenden Zwillingssatelliten in maximal drei Jahren alle Landmassen mit einer Fläche von insgesamt rund 150 Millionen Quadratkilometern unabhängig von Licht- und Wetterverhältnissen vermessen. Die vertikale Auflösung liegt dabei im Bereich von zwei Metern, die Abtastung erfolgt in zwölf Meter breiten Streifen. Um der Aufgabe, ein neues, hochgenaues digitales Höhenmodell der Erdoberfläche zu erstellen, gerecht werden zu können, müssen TanDEM-X und TerraSAR-X in teilweise sehr engem Formationsflug zusammenarbeiten. Dabei wird der Abstand zwischen den beiden Satelliten zwischen einigen Kilometern und rund 200 Metern variiert.

Damit die jeweils gewünschte Entfernung zwischen den beiden Satelliten zuverlässig eingestellt und die Formation wie geplant geflogen werden kann, wurde TanDEM-X im Unterschied zu TerraSAR-X zusätzlich mit einem Kaltgastriebwerkssystem ausgestattet. Dieses ermöglicht es, sehr fein einstellbare Schubstöße anzugeben, dabei wird unter Druck stehendes Stickstoffgas ausgestoßen. Eine regelmäßige Bahnanpassung ist erforderlich, da sich die beiden Raumfahrzeuge sonst voneinander entfernen. Aus Sicherheitsgründen sind ihre Bahnen so entworfen, um im Falle des Verlusts der Kapazität zur aktiven Bahnbeeinflussung eine Kollision zu vermeiden.

Das Hauptinstrument von TanDEM-X ist ein im X-Band-Bereich bei 9,65 Gigahertz arbeitendes Radargerät mit synthetischer Apertur (SAR). Die Antennenanlage dieses Geräts besitzt keine beweglichen Teile und wird selbst ebenfalls nicht bewegt. Sie benutzt 384 horizontale sowie 384 vertikale einzelne Strahler und wurde von Haberer SpaceTec in Bad Wurzach gebaut. Für eine Zwischenspeicherung von Daten an Bord des Satelliten gibt es dort 768 Gigabit Speicherkapazität, die in Halbleiterlaufwerkstechnik realisiert wurde. Zur Erde gesendet werden die Daten von TanDEM-X über eine X-Band-Antenne, deren Antennenhorn sich an einem im ausgefahrenen Zustand 3,3 Meter langen Mast befindet. Nach Angaben des DLR handelt es sich bei dem Antennenmast um das einzige bewegliche Teil des Satelliten.

Empfangen werden die Daten von TanDEM-X und TerraSAR-X auf der Erde von einem Netz aus Bodenstationen im mecklenburgischen Neustrelitz, im schwedischen Kiruna, im kanadischen Inuvik und in der Antarktis in O’Higgins. Dabei kümmert sich Neustrelitz schwerpunktmäßig um den Empfang von TerraSAR-X, die Stationen in den polaren Regionen um den Empfang von TanDEM-X. Im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Oberpfaffenhofen werden aus den Daten Höhenmodelle erzeugt, zunächst in Rohversionen, dann in kalibrierten Varianten. Ein erstes vollständiges digitales Höhenmodell aller Landmassen auf der Erde wird vermutlich in rund vier Jahren zur Verfügung stehen und etwa 15 Terabyte Daten beinhalten.

Über ein Tochterunternehmen von EADS Astrium, die Infoterra GmbH, können kommerzielle Nutzer auf Daten des Höhenmodells zugreifen, die unter Berücksichtigung von Kundenanforderungen bei Infoterra nach Bedarf veredelt und bearbeitet werden.

Raumcon:

• TanDEM-X auf Dnepr

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