Читать книгу Satellitenmeteorologie - Группа авторов - Страница 25

Was sind die Quellen, die die elektromagnetische Strahlung emittieren, die bei der Fernerkundung meteorologischer Parameter genutzt wird? Es sind dies einerseits die Sonne und andererseits die Erde selbst, also Boden und Atmosphäre mit allen Bestandteilen. Daneben kommt heutzutage künstlich erzeugte Strahlung bei der Fernerkundung zum Einsatz, die von einem Laser oder einem Mikrowellensender auf einem Satelliten abgestrahlt wird.

Entsprechend der Planck-Funktion steigt mit zunehmender Temperatur die Strahlung bei allen Wellenlängen, die Kurven in Abbildung 2.10 schneiden sich nicht. Die solare Strahlung ist in ihrem Maximum bei rund 0,5 μm mehr als drei Millionen mal so stark wie die von der Erde emittierte Strahlung in ihrem Maximum bei rund 10 μm. Wie kommt es also, dass in der Meteorologie – und damit auch in der Satellitenmeteorologie – der solare und der terrestrische Spektralbereich getrennt behandelt werden können, dass die Strahlungsflussdichten in beiden Bereichen ähnliche Größen aufweisen?

Aufgrund der großen Entfernung der Sonne hat deren Strahlung an der Erde einen Raumwinkel von nur 6,8 • 10^–5 sr. Erst durch die Streu- und Reflexionsprozesse in der Atmosphäre und am Boden wird sie auf den ganzen Halbraum verteilt. Dagegen wird die terrestrische Strahlung von den Bestandteilen der Erde gleich in den ganzen Halbraum emittiert. Durch diese Unterschiede der Raumwinkel werden die nach dem Planckschen Gesetz gegebenen Unterschiede der Strahldichten für die Wellenlängen entsprechend stark reduziert, wenn die Strahlungsfelder an der Erde betrachtet werden. Für die Satellitenmeteorologie ist weiter zu berücksichtigen, dass die solare Strahlung, die von der Erde kommend einen Satelliten erreicht, durch die Reflexion am Boden und die Streuung in der Atmosphäre gegenüber der einfallenden Strahlung reduziert wurde.

Abb. 2.12

Am Oberrand der Erdatmosphäre nach oben gerichtete Strahlungsflussdichten. Die linken Kurven zeigen die solare Strahlung bei 10 % und 25 % Reflexion im System Boden-Atmosphäre, und die rechten Kurven zeigen die terrestrische Strahlung, emittiert von einem Schwarzkörper bei verschiedenen Temperaturen im Variationsbereich der Erde.

Abbildung 2.12 zeigt am Oberrand der Atmosphäre nach oben gerichtete spektrale Werte von solaren und terrestrischen Strahlungsflussdichten. Die Werte bei den kleinen Wellenlängen gelten für Strahlung, die von einer senkrecht stehenden Sonne stammt, berechnet als Schwarzkörper mit einer Temperatur von 5800 K, und die durch die Prozesse am Boden und in der Atmosphäre auf 10 % (untere Kurve) beziehungsweise auf 25 % (obere Kurve) reduziert wurde, also in Größenordnungen, wie sie sich aus den Prozessen in der Atmosphäre ergeben. Die Werte bei den größeren Wellenlängen gelten für die Erde, als Schwarzkörper mit Emissionsvermögen 1, und drei Temperaturen, rund –23 °C (250 K, blau), –3 °C (270 K, grün) und +27 °C (300 K, rot). Es zeigt sich, dass die Bereiche der Strahlung von Sonne und Erde in der Erdatmosphäre deutlich getrennt sind. So ist es möglich, von einem solaren und einem terrestrischen Spektralbereich zu sprechen. Überlappung gibt es nur in einem schmalen Spektralbereich bei rund 4 μm. In diesem Bereich, der seit einiger Zeit auch für die Satellitenmeteorologie genutzt wird, müssen bei der Invertierung Photonen von beiden Quellen berücksichtigt werden.

Trotz des starken Anstiegs der Strahlung mit der Temperatur ist bei Messungen vom Satelliten aus nach unten die Strahlung, die von der heißen Sonne stammt, und die, die von der vergleichsweise kalten Erde emittiert wird, in der gleichen Größenordnung – weil die Sonne so weit weg ist. Damit können solarer und terrestrischer Spektralbereich getrennt gemessen und modelliert werden.

In Abbildung 2.12 ist nicht nur zu erkennen, dass ein solarer und ein terrestrischer Spektralbereich getrennt werden können, sondern weiter, dass die Werte der Strahlung im solaren Bereich durchaus in der Nähe der Werte der Strahlung im terrestrischen Bereich liegen, aber etwas höher sind. Das führt in der Praxis dazu, dass von einem Radiometer mit gleicher Empfangsoptik für beide Spektralbereiche die beobachteten Pixel im terrestrischen Bereich üblicherweise größer gewählt werden als die im solaren Bereich (z. B. Meteosat im Subsatellitenpunkt: VIS 1,0 km, IR 2,5 km), um die spektralen Strahlungsunterschiede auszugleichen und ähnliche Werte der an den Detektoren verfügbaren Energie zu erhalten (Kap. 4.3.2).