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Aufgrund von verbesserten technischen Möglichkeiten kommen zunehmend auch künstliche Strahlungsquellen bei der Satellitenmeteorologie zum Einsatz. Hierbei wird ein Signal vom Satelliten aus abgestrahlt und aus der Zeit, die bis zum Empfang der von der Atmosphäre zurückgestreuten oder am Boden reflektierten Strahlung vergeht, auf die Entfernung geschlossen. Damit ist eine höhenaufgelöste Untersuchung von Atmosphäreneigenschaften ebenso möglich wie die Bestimmung der Höhenlage des Bodens oder von Wolken. Weiter kann Information über die Rauigkeit des Bodens gewonnen werden, die in emittierter Strahlung nicht enthalten ist. Diese „aktive Fernerkundung“ ist jünger als die passive Satellitenmeteorologie, da die zusätzlichen Probleme der Energieversorgung und der Lebensdauer der Strahlungsquellen zu lösen waren. Hier ist in der Zukunft weiterer technologischer Fortschritt zu erwarten.

In einem breiten Spektralbereich, vom UV bis zum nahen Infrarot, werden „Laser“ als Strahlungsquelle eingesetzt. Das Wort Laser steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, auf Deutsch: „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Der Begriff wird aber nicht nur für den Prozess der Verstärkung verwendet, sondern auch für die Instrumente selbst – die Quelle der Strahlung.

Laser erzeugen quasi-monochromatische Strahlung, die extrem eng gebündelt als „Laserstrahl“ ausgesendet wird. Erzeugt wird diese Strahlung, indem in einem Kristall, einer Flüssigkeit oder einem Gas einzelne Schwingungs- oder Rotationszustände der Moleküle oder Elektronen in den Atomen durch sogenanntes „optisches Pumpen“ auf ein höheres Energieniveau gebracht werden. Durch eine stimulierte Emission wird dann quasi gleichzeitig die Energie aller zusammenpassenden angeregten Niveaus in Photonen überführt, die den Laser verlassen. Diese haben damit alle die gleiche Frequenz, Phase und Polarisation und es ergibt sich eine entsprechend intensive, monochromatische und linear polarisierte Strahlung. Durch Spiegel an beiden Enden des aktiven Mediums und einen optischen Schalter wird erreicht, dass das Photonenbündel mehrfach hin- und herlaufen muss und so wirklich alle angeregten Atome oder Moleküle zum Signal beitragen. Weiter wird dadurch gewährleistet, dass die ausgekoppelte Strahlung die Atmosphäre als enger Strahlungspuls durchläuft, der sich auf dem Weg nur geringfügig verbreitert. Das Fernerkundungsverfahren, bei dem Laserstrahlung genutzt wird, heißt „Lidar“ („Light Detection And Ranging“, auf Deutsch etwa „Lichterkennung und Entfernungsmessung“), weil aus der Laufzeit eines rückgestreuten Signals die Distanz zwischen dem Satelliten und dem streuenden oder reflektierenden Material bestimmt werden kann. Abbildung 2.14 zeigt das Lidar-Prinzip mit dem abstrahlenden Laser und dem Teleskop zum Erfassen der rückgestreuten Photonen. Neben der Laufzeit des Signals zu Bestimmung der Entfernung des rückstreuenden Materials, liefern Signalstärke und Polarisation Information über dessen Eigenschaften (Kap. 9.3).

Eine zweite Methode der Nutzung aktiver Strahlung, die in der Satellitenmeteorologie breite Anwendung findet, ist das „Radar“ („Radio Detection And Ranging“, auf Deutsch etwa „Erkennung und Entfernungsmessung mittels Funk“), das seit langem als Methode zur Entdeckung von Hindernissen im Schiffsverkehr genutzt wird. Hierbei wird Strahlung aus dem Bereich der Mikrowellen benutzt. Der prinzipielle Aufbau eines Radars entspricht dem eines Lidars (Abb. 2.14), nur wird statt eines Lasers eine Mikrowellenquelle genutzt und statt des Teleskops eine Antenne. Bei den großen energetischen Leistungen, die für die Fernerkundung von Satelliten aus notwendig sind, erfolgt die Erzeugung der Mikrowellen mittels Hohlraumresonatoren (Magnetron, Klystron), ähnlich wie bei Mikrowellenherden in der Küche. Auch bei der aktiven Fernerkundung mittels Mikrowellen kommen unterschiedliche Wellenlängen zum Einsatz, jeweils optimiert für die Fragestellung.

Abb. 2.14

Zum Prinzip einer Lidar-Messung. (nach ESA, 2008).

Ein wichtiger Vorteil der Fernerkundung mit Mikrowellen ist, dass diese durch kleine Wolkentropfen nicht gestört werden. Die dadurch gegebene Möglichkeit, Hindernisse auch bei Nebel erkennen zu können, war der Grund für die Entwicklung von Radar für die Schifffahrt. Diese Eigenschaft, Wolken ungestört zu durchdringen, ist aber auch bei der Satellitenmeteorologie ein positiver Effekt, da sie die Beobachtung des Bodens auch unter Wolken ermöglicht, was in den anderen Spektralbereichen nicht geht.

Zusammenfassung Kapitel 2

Alle satellitenmeteorologischen Verfahren basieren darauf, dass die am Satelliten zu messende Strahlung durch die Atmosphären- und Bodenparameter unterschiedlich und in charakteristischer Weise beeinflusst wird. Dies gilt für die Intensität, Polarisation und Richtungsabhängigkeit der Strahlung, und zwar jeweils wellenlängenabhängig. Die zu messende Strahlung wird durch die Menge und die spezifischen Absorptions- und Streu- und Reflexions-Eigenschaften der Materie in Atmosphäre und Boden bestimmt sowie durch die Temperatur der Strahlungsquelle, woraus die grundlegenden Möglichkeiten zur Invertierung resultieren. Allgemeingültige Grundlage für die spektrale Strahlung eines idealen strahlenden Körpers (Schwarzkörpers) als Funktion der Temperatur ist das Strahlungsgesetz von Planck, das vorher gefundene Gesetzmäßigkeiten mit einschließt.

Die zur Invertierung zu nutzende Strahlung am Satelliten ist immer eine Strahldichte, also die Energie pro Zeit in einem engen Strahlungsbündel aus einer Richtung. Zu ihrer Beschreibung wird der Raumwinkel benötigt, der zusammen mit dem Abstand des Satelliten von der Erde die Größe des entsprechenden Bildpunkts am Boden ergibt. Da die von einem Punkt der Erde in den Weltraum gelangende Strahlung richtungsabhängige Unterschiede aufweisen kann (Anisotropie), müssen diese bei der Invertierung auf den gesuchten Parameter berücksichtigt werden.

Die für die Fernerkundung nutzbare Strahlung stammt von der Sonne, von einer künstlichen Strahlungsquelle, oder sie wird von den Bestandteilen der Atmosphäre und des Bodens emittiert. Die von dem System Erde-Atmosphäre zum Satelliten gelangende solare Strahlung, im Bereich zwischen rund 0,2 und 4,0 μm, wird hauptsächlich durch die Streu- und Reflexionseigenschaften des zu untersuchenden Materials bestimmt, bei einigen Wellenlängen aber auch durch die spektrale Absorption von Gasen beeinflusst. In den Spektralbereichen, in denen die Strahlung durch die Emission irdischer Materie entsteht, kann die Streuung weitgehend vernachlässigt werden. Die Fernerkundungsinformation beruht hier auf Absorptions- und Emissionsprozessen. Resultierend aus unterschiedlichen Eigenschaften von Atmosphäre und Boden – sowie der für die Messungen genutzten Technologien – wird dieser Spektralbereich in den terrestrischen, auch thermisch genannten Bereich (rund 4 bis 50 μm) und den Mikrowellen-Bereich (rund 3 mm bis 60 cm) getrennt. Bei „aktiv“ genannten Verfahren wird die verwendete Strahlung künstlich im Satelliten erzeugt, sowohl im solaren (Lidar) als auch im Mikrowellen-Bereich (Radar).