SCIA-value
SCIA-value
Das Projekt SCIA-VALUE hat zum Ziel, zahlreiche Datenprodukte, die vom Messinstrument SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption spectro-Meter for Atmospheric Chartography, zu deutsch Abbildendes Abtast-Absorptionsspektrometer für atmosphärische Kartographie) an Bord des Fernerkundungssatelliten ENVISAT stammen zu validieren. SCIA-VALUE wird vom DLR unterstützt. Unter Einsatz der Falcon 20 des DLR, eines Forschungsflugzeugs zur Erkundung der Atmosphäre, wird eine beispiellose Messreihe vom Nordpol bis zum Äquator durchgeführt.
Einführung
SCIAMACHY ist das umfassendste deutsche Experiment im Bereich der
Erkundung der Atmosphäre und wurde in Zusammenarbeit mit den
Niederlanden und Belgien als nationaler Beitrag zum Satelliten ENVISAT
der ESA entwickelt. Er ist mit einer Länge von insgesamt 10,5 Meter
und einem Gewicht von 8.140 Kilogramm der größte
Umweltforschungssatellit, der je entwickelt wurde. An Bord des ENVISAT
befinden sich zehn Experimente, die zur Erforschung verschiedener
Aspekte der Erde und ihrer Atmosphäre dienen.
Der Fernerkundungssatellit
ENVISAT wurde am 28. Februar 2002 mit der
Trägerrakete Ariane 5 von der Startanlage in Kourou,
Französisch-Guyana, gestartet. ENVISAT und seine Experimente befinden
sich derzeit in einem Stadium der Inbetriebnahme, in dem seine
Instrumente getestet werden. ENVISAT überfliegt in einer
sonnensynchronen Umlaufbahn beide Erdpole. Bei jeder Umlaufbahn wird
der Äquator um 10.00 Uhr Ortszeit passiert. So sieht ENVISAT alle drei
Tage die komplette Erdoberfläche.
SCIAMACHY ist ein neues Experiment, das die Zusammensetzung der Atmosphäre der Erde vom Weltall aus erforschen soll. Außerdem ist es ein griechisches Wort, das soviel bedeutet wie "Schatten nachjagen". Dies spiegelt wider, dass das Messinstrument SCIAMACHY die von der Erde und ihrer Atmosphäre rückgestreute Sonnenstrahlung misst. Dies erfolgt mit einer Vielzahl unterschiedlicher Messmodi.
Eine in kleinem Maßstab gebaute Version des Messinstruments SCIAMACHY, nämlich das Ozonmessgerät GOME (Global Ozone Monitoring Experiment), das ursprünglich die Bezeichnung SCIA-mini trug, wurde in einer Mission zum Nachweis der Praxistauglichkeit ("Proof of Concept") an Bord des ERS-2 der ESA gestartet. GOME hat mittlerweile sieben Jahre lang erfolgreich Messungen durchgeführt, unter anderem zur Bestimmung der globalen Verteilung von Ozon, Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid, Formaldehyd oder Bromoxid in der Stratosphäre und der Troposphäre. SCIAMACHY erweitert und verbessert die wissenschaftliche Zielsetzung des Ozonmessgeräts GOME, indem es einen wesentlich größeren Spektralbereich überdeckt und daher eine größere Anzahl Spezies erkennen kann. Darüber hinaus setzt das Messinstrument auch unterschiedliche Messmodi ein, dank derer nicht nur die Gesamtsäulen der Spurengase, sondern auch deren vertikale Verteilung in der Atmosphäre bestimmt werden kann.
Das Sonnenlicht wird auf seinem Weg durch die Atmosphäre sowohl innerhalb der Atmosphäre wie auch an der Erdoberfläche absorbiert und reflektiert. SCIAMACHY misst die Spektralverteilung der Strahlung von der Erdatmosphäre unter Einsatz unterschiedlicher Messgeometrien. Das gemessenen Spektrum enthält detaillierte Informationen über die Spurengaskonzentration in der Atmosphäre, z.B. über die Menge und Verteilung der Bestandteile der Stratosphäre und Troposphäre. Dieses Verfahren nutzt die in Deutschland entwickelte Technik DOAS (Differentielle Optische Absorptions- Spektroskopie).
Einzigartige Merkmale von SCIAMACHYSCIAMACHY kann zahlreiche einzigartige Leistungsmerkmale vorweisen:
Einsatzgebiete für SCIAMACHYDie wichtigsten wissenschaftlichen Zielsetzungen für SCIAMACHY sind folgende:
Die Notwendigkeit einer
Validierung der SCIAMACHY-Messungen und -DatenprodukteDie Messungen und Datenprodukte, die unter Einsatz eines raumgestützten Messinstruments wie SCIAMACHY ermittelt werden, erfordern eine Validierung. Dies bedeutet deren Vergleich mit Messungen, die mit Hilfe von unabhängigen Techniken und Instrumenten durchgeführt wurden. Über die Validierung lässt sich die Qualität der Datenprodukte bestimmen. Und sie ist eine Voraussetzung für die sinnvolle Anwendung der Daten von Sensoren, die insbesondere bei Trendanalysen der Atmosphäre sowie bei der Erforschung des Klimawandels eingesetzt werden.
Die Validierung muss während der gesamten Lebensdauer jedes Instruments erfolgen, beginnt jedoch am Anfang der Mission mit einer intensiven Phase. Eine ausgedehnte Validierung des Messinstruments SCIAMACHY wird derzeit vom DLR unterstützt. Ein sehr wichtiger Aspekt der Validierung von SCIAMACHY besteht darin, dass die Messungen innerhalb des Projekts SCIA VALUE (kurz für SCIAMACHY VALidation and scientific Utilisation Experiment) zu erfolgen haben.
Die Validierung bietet auch eine einmalige Gelegenheit für eine erste wissenschaftliche Nutzung der Messungen, die SCIAMACHY durchzuführen hat. SCIA-VALUE ist ein gutes Beispiel für dieses Konzept, da die gleichzeitig erfolgenden Messungen durch SCIAMACHY, durch die Instrumente an Bord des Forschungsflugzeugs Falcon sowie durch die Überflüge der Bodenstationen auf der ganzen Welt Daten liefern werden, die sich zu Synergieuntersuchungen eignen.
Das Forschungsflugzeug Falcon und SCIA-VALUESeit über 25 Jahren stellt die Falcon des DLR ihre Leistungsfähigkeit als eines der führenden Forschungsflugzeuge auf der Welt unter Beweis. Seit ihrem Jungfernflug hat sie sich als beneidenswert zuverlässig erwiesen und war in den letzten 15 Jahren an allen wichtigen europäischen und internationalen Experimenten zur Erforschung der Atmosphäre beteiligt.
Die Falcon wurde mit zahlreichen zusätzlichen Leistungsmerkmalen ausgestattet, um so die Durchführung von verschiedenen Fernerkundungs- und In-Situ-Experimenten zu ermöglichen. Dazu gehören drei große Sichtfenster (mit einem Durchmesser von 50 Zentimeter), zwei davon an der Unterseite und eines an der Oberseite, sowie ein speziell gefertigtes PE-Fenster, das mikrowellendurchlässig ist. Die Falcon bietet bei Aufnahme einer Nutzlast von 1.100 Kilogramm sowie einer Betriebsflughöhe von maximal 45.000 Fuß eine Flugdauer von maximal fünf Stunden. Nachdem vor kurzem neue Triebwerke und Generatoren eingebaut wurden, die eine ausgezeichnete Leistung in puncto Reichweite und Höhe aufweisen, ist die Falcon des DLR das einzige europäische Forschungsflugzeug, das für dieses Projekt geeignet ist. Im Rahmen des Projekts SCIA-VALUE wurde eine neue Kombination aus drei verschiedenen Fernerkundungsexperimenten, die mit der Falcon des DLR geflogen werden, sowie eine sehr anspruchsvolle Route ausgewählt, damit eine Hemisphärenvalidierung der verschiedenen Datenprodukte von SCIAMACHY erfolgen kann.
Die Nutzlast für das Projekt SCIA-VALUE 
Die Nutzlast für das Projekt SCIA-VALUE umfasst drei neue Instrumente zur Fernerkundung der Atmosphäre: AMAXDOAS: Airborne Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectrometer entwickelt und betrieben sowohl vom IUP Bremen wie auch vom IUP Heidelberg ASUR: Airborne SUbmillimeter wave Radiometer, entwickelt und betrieben vom IUP Bremen OLEX: Ozone Lidar Experiment, entwickelt und betrieben vom DLR
AMAXDOAS
AMAXDOAS weist Ähnlichkeiten mit SCIAMACHY auf, da es die an
der Falcon auftreffende Strahlung unter verschiedenen ausgewählten
Winkeln misst. Hierbei handelt es sich um ein Experiment, das von der
Universität Bremen und von der Universität Heidelberg gemeinsam
entwickelt wurde. Es zerlegt die von SCIAMACHY gemessenen
Säulendichten von Spurengasen (O3, NO2, BrO und OClO) in ihren
stratosphärischen und troposphärischen Anteil.
ASUR
Unter Airborne SUbmillimeter wave Radiometer (ASUR) ist ein passiver
Mikrowellensensor zu verstehen, der an Bord eines Flugzeugs betrieben
wird, das nahe an der Tropopause fliegt. Unter Einsatz einer aufwärts
gerichteten Geometrie wird die Wärmestrahlung, von Spurengasen, im
Frequenzbereich von 604 bis 662 GHz (ca. 0,45 bis 0,5 mm)
gemessen. Der Messbereich des Sensors umfasst einige der für die
Chemie des stratosphärischen Ozons entscheidenden Spezies wie zum
Beispiel ClO, HCl, HNO3, die dynamischen Tracer N2O und CH3Cl sowie
Wasserdampf und Ozon. Anhand der Druckverbreiterung der Spektrallinien
werden Vertikalprofile der Volumenmischungsverhältnisse über einen
Höhenbereich von 15 bis 65 Kilometer errechnet.
OLEX
Mit dem Ozone Lidar EXperiment (OLEX) wird die atmosphärische
Rückstreuung in den vier Wellenlängen 308, 355, 532 und 1.064
Nanometer gemessen. Zusätzlich wird das kreuzpolarisierte
Rückstreusignal bei 532 Nanometer zur Unterscheidung der Partikelphase
(fest/flüssig) gemessen. Im Zenith-Modus liefert das System
hochauflösende zweidimensionale Querschnitte der Ozondichte, der
Aerosolextinktion und der Zirruswolkenbedeckung ab einer Höhe von
ca. 2 Kilometer über Flughöhe bis zu 30 Kilometer.
Die Messkampagne SCIA-VALUE wurde zur
Validierung ausgewählter stratosphärischer und
troposphärischer Datenprodukte des Messinstruments SCIAMACHY
konzipiert. Laut Planung sollen zwei Hauptkampagnen im September 2002
sowie im Februar 2003 stattfinden. Beide Kampagnen bestehen aus
Nord-Süd-Querschnitten von den Polarregionen bis zu den Tropen
sowie aus West-Ost-Schnitten in etwa 70° nördlicher
Breite. Die beiden Kampagnen werden in unterschiedlichen
jahreszeitlichen Bedingungen ausgeführt. Jede Kampagne besteht
aus mehreren Flugmissionen für Fallstudien in Gebieten mittlerer
Breite, am Nordpol sowie in der Tropenregion.
Zusätzlich wird in der
nördlichen Hemisphäre in großer Höhe geflogen, zum
Beispiel in ost-westlicher Richtung, wo während eines einzigen
Flugs mehrere angrenzende Umlaufbahnen von SCIAMACHY verbunden werden
können. Die nördliche Flugroute erstreckt sich von
München über Kiruna in Nordschweden, über Spitzbergen
und dann über den Nordatlantik bis nach Island und
Grönland. Dadurch können sowohl Messungen der
Luftverschmutzung über Europa, als auch Untersuchungen zur
Zusammensetzung der Stratosphäre am Ende des Sommers noch vor der
Entwicklung des Polarwirbels durchgeführt werden.
Die südliche Route
führt von München nach Lagos an der Westküste Afrikas,
dann nach Kenia und zu den Seychellen. Das Hauptziel dieser Route
besteht in der Validierung von SCIAMACHY-Datenprodukten, die für
Untersuchungen der Luftqualität sowie zur Verbrennung von
Biomasse, zu Gewittern und zu konvektiven Ereignissen von Relevanz
sind.
SchlussfolgerungenDie Validierung von Messungen, die von einem raumgestützten Messinstrument wie SCIAMACHY durchgeführt werden, ist eine Voraussetzung für die Beurteilung der Qualität der Messungen und ihrer
Nutzung in sowohl wissenschaftlichen Einsatzgebieten wie auch für den tatsächlichen Betrieb. Das Projekt SCIA-VALUE bildet den Eckpfeiler der ersten Phase der SCIAMACHY-Validierung, die im ersten Jahr der Mission des Messinstruments stattfindet.
SCIA-VALUE umfasst einander ergänzende und neue Instrumente, die für eine Validierung der SCIAMACHY-Datenprodukte von der Mesosphäre bis zur Erdoberfläche sorgen. Darüber hinaus stellt SCIA-VALUE eine selbständige Messreihe dar, die in Kombination mit gleichzeitig von SCIAMACHY und den Bodenstationen durchgeführten Messungen genutzt wird, um weiteren Einblick in die komplizierten physikalischen und chemischen Prozesse in der Atmosphäre zu gewinnen:
Partner
Klaus Bramstedt
/ Last Change.