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Wissenschaftliche Anforderungen



Biosphäre/Wald

Lange Zeit wurde die Rolle des Waldes in Bezug auf Klimaänderungen unterschätzt. Heute wissen wir, dass Wälder ein bedeutender Faktor im Klimageschehen sind. In modernen Klimamodellen spielt die Wechselwirkung des Waldes mit der Atmosphäre, Hydrosphäre und Geosphäre eine zentrale Rolle. Das ist schon darin begründet, dass Wälder dominierend am Kohlenstoffaustausch zwischen den terrestrischen Ökosystemen und der Atmosphäre beteiligt sind. Die wesentliche Motivation für die Untersuchung des globalen Kohlenstoffkreislaufs ist der anthropogen bedingte Anstieg der atmosphärischen Konzentration von klimarelevanten Treibhausgasen. Die terrestrische Vegetation als Teil der Biosphäre steht durch photosynthetische, transpirative und respirative Prozesse in direkter Wechselwirkung mit der Atmosphäre und spielt daher eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf.

Der Parameter, der die räumliche Verteilung von Kohlenstoff in der Biosphäre charakterisiert, ist die Biomasse. Die Bedeutung der Biomasse manifestiert sich sowohl durch ihre Rolle als Kohlenstoffsenke oder Kohlenstoffquelle als auch durch ihre Relevanz zur Charakterisierung von Wald- bzw. Ökosystem-Produktivität. Schätzungen der Biomasse sind heute in lokalen, regionalen und überregionalen Maßstäben sehr ungenau. Die sehr aufwändigen Bodenmessungen der Biomasse in natürlichen Wäldern übersteigen nur selten eine Genauigkeit von 20%. Besonders in tropischen Wald-Ökosystemen gibt es große Abweichungen. Globalen und nationalen Schätzungen von Waldbiomasse fehlt meistens der räumliche Bezug, da sie durch die Generalisierung tabellarischer Wald-Inventurdaten entstehen. Zudem beruhen diese Angaben auf unterschiedlichen Definitionen und Bestimmungsmethoden. Der Mangel an genauen räumlichen Waldbiomasse-Daten – der Messfehler übersteigt häufig den geschätzten Mittelwert – wurde im IPCC-Report als eine der größten Unsicherheiten im globalen Kohlenstoff-Budget erkannt.

Testgebiet Mawas (tropischer Torfregenwald) in Zentral-Kalimantan, Indonesien. Oben: Radarbild (Graustufen) im L-Band, HH-Polarisation, überlagert mit einer LIDAR-Waldhöhenkarte. Unten: Waldhöhenkarte berechnet aus Pol-InSAR-Daten im L-Band.

Tandem-L kann einen entscheidenden und einzigartigen Beitrag zu einer einheitlichen globalen Waldbiomasse-Inventur und zur Erfassung der räumlichen Dynamik der Waldbiomasse leisten. Die hochgenaue Waldbiomasse-Bestimmung basiert auf Waldhöhen- und Struktur-Messungen und erlaubt nicht nur eine genaue Biomasse-Inventur (mit einer Messgenauigkeit von 20% oder sogar genauer und damit besser als es durch Bodenmessungen möglich ist) in allen kritischen Wald-Ökosystemen einschließlich der Tropen, sondern auch die jährliche Erfassung von dynamischen Trends während der Missionszeit. Darüber hinaus erlaubt die Analyse der Veränderungen der vertikalen Waldstruktur Einblicke in den wenig bekannten saisonalen Waldbiomassen-Zyklus.

Darüber hinaus kann Tandem-L als wertvolle Daten- und Informationsquelle in den Bereichen illegaler Holzeinschläge (weltweit größte Bedrohung für Wälder), Biodiversität (z.B. Kartierung anthropogener Störungen), Sturmschäden (Waldschäden), Wasserkreislauf und Reduktion von Emissionen aus Entwaldung und Waldschädigung (REDD) fungieren.

Pol-InSAR-Aufnahmeprinzip: Aufnahme von zwei polarimetrischen SAR-Bildern der gleichen Szene unter leicht unterschiedlichen Blickwinkeln.

Waldstruktur, Waldhöhen und Biomasse werden mit Verfahren der Polarimetrischen SAR Interferometrie (Pol-InSAR)  aus den Tandem-L-Daten ermittelt. Pol-InSAR basiert auf der kohärenten Kombination von SAR-Interferogrammen in unterschiedlichen Polarisationen. Einerseits sind SAR-Interferogramme sensitiv für die räumliche Variabilität der vertikalen Vegetationsstruktur und erlauben eine genaue Lokalisierung des Streuzentrums. Andererseits ist die polarimetrische Radarsignatur sensitiv auf Form, Orientierung und dielektrische Eigenschaften der Streuer und erlaubt die Identifizierung und/oder Trennung von Streumechanismen in natürlichen Medien. Die komplementäre Sensitivität dieser beiden Messungen wird im Sinne der polarimetrischen SAR-Interferometrie kohärent kombiniert und ermöglicht die quantitative Bestimmung relevanter (Struktur-) Parameter aus SAR-Messungen. Heute ist Pol-InSAR eine etablierte Fernerkundungstechnik, die eine Untersuchung der 3D-Struktur von natürlichen Volumenstreuern ermöglicht.

Wissenschaftliche Anforderungen aus dem Bereich Biosphäre/Wald (fett: minimale Anforderungen).

Geo-/Lithosphäre

Erdbeben gehören zu den fatalsten und teuersten Georisiken, die nach Schätzung der Versicherung „Münchner Rück“ allein zwischen 1994 und 2006 über 240 Milliarden US$ gekostet haben. Die Ursache für Erdbeben sind die dynamischen Prozesse der Erdkruste: Plattentektonik und kleinräumige magmatische, klimatische und anthropogen verursachte Prozesse verändern sie ständig. Mit der TanDEM-X-Mission wird zwar zwischen 2010 bis 2012 ein sehr genauer „Schnappschuss“ der 3D-Topographie der Erde erstellt. TanDEM-X ist aber wegen seiner kurzen Wellenlänge und der geringen Flächenaufnahmeleistung nicht für eine regelmäßige globale Langzeitvermessung ausgelegt. Die Tandem-L-Mission dagegen soll im Deformationsmodus die globalen topografischen Änderungen mit einer Genauigkeit von Zentimetern bis hin zu Millimetern ständig beobachten. Des Weiteren lassen sich aufgrund der großflächig vorhandenen Deformationsmessungen geophysikalische Modelle deutlich genauer bestimmen und damit Erkenntnisse über die zugrunde liegenden Prozesse in der Erdkruste gewinnen.

Mit Tandem-L sollen alle potenziellen Erdbebengebiete systematisch und in kurzen Zeitabständen aufgenommen werden (rot).

Das Deformationsmessverfahren beruht auf der Repeat-Pass-Interferometrie, auch bekannt als differentielle SAR-Interferometrie (dInSAR). Dieses Verfahren misst kleinste Entfernungsänderungen der Erdoberfläche aus der Mikrowellen-Phasendifferenz zweier SAR-Bilder, die in einem zeitlichen Abstand von Tagen bis hin zu mehreren Jahren aufgenommen werden. Die Genauigkeit einer Einzelmessung beträgt einen Bruchteil der Wellenlänge. Durch geeignete Verrechnung längerer Messserien können selbst sehr kleine Bewegungsraten von Millimetern pro Jahr erfasst werden. Diese hohe Genauigkeit wird auch benötigt, um die sehr langsamen Veränderungen der Erdoberfläche, wie sie etwa bei der Plattentektonik oder in vulkanisch aktiven Gebieten auftreten, zu erfassen.

Ähnlich wie Erdbeben gefährden Vulkanausbrüche Leben und Sachwerte. Aufgrund der kleinräumigeren Prozesse ist die Wissenschaft in der Vorhersage von Vulkanausbrüchen heute weiter fortgeschritten als bei der Erdbebenprognose. Für die Vulkanbeobachtung werden derzeit vor allem lokale gasspektrometrische, thermische und seismische Messungen verwendet, in den letzten Jahren aber auch zunehmend geometrische Vermessungen der Oberfläche durch satellitengestützte SAR-Interferometrie. Ziel der Tandem-L-Mission ist, weltweit alle größeren Vulkane (ca. 500) wöchentlich aus verschiedenen Aufnahmegeometrien zu beobachten, die Daten systematisch auszuwerten und als Eingangsgrößen für dreidimensionale elastomechanische Vulkanmodelle aufzubereiten. Größere Auffälligkeiten sollen direkt bei der Verarbeitung erkannt und zur unmittelbaren Warnung verwendet werden.

Durch Inversion der an der Oberfläche gemessenen Deformationen sollen mit Tandem-L die relevanten Parameter wie Tiefe, Volumen und Druckänderung in der Magmakammer bestimmt werden.

Weitere Einsatzbereiche von Tandem-L sind anthropogene Erdbewegungen (z.B. durch Abtragung von Bodenschätzen oder das Abpumpen von Grundwasser) und Hangbewegungen/Hangrutschungen in ausgewählten Gebieten.

Anforderungen aus dem Bereich der Geo-/Lithosphäre.

Kryosphäre

Die Schnee- und Eismassen der Erde spielen aufgrund von Rückkoppelungs-Mechanismen mit der Atmosphäre und den Ozeanen eine wichtige Rolle im Klimasystem der Erde. Diese Mechanismen haben die Tendenz, Klimaänderungen zu verstärken. Allerdings sind die Prozesse, die Dynamik und Massenbilanz der einzelnen Komponenten der Kryosphäre regulieren, noch nicht ausreichend bekannt. Aus diesem Grund ist die Integration kryosphärischer Prozesse ein Schwachpunkt der jetzigen Klimamodelle und damit auch einer der wesentlichen Gründe für die Unsicherheit von Klimaprognosen und Klimaszenarien. Man erwartet von genaueren und systematischen Beobachtungsdaten große Fortschritte für die Modellierung des Erdsystems unter Einbeziehung der Kryosphäre. Neben dem Einfluss auf Atmosphäre und Ozean wirken sich klimabedingte Änderungen der Kryosphäre unmittelbar auf Umwelt, Ökologie und wirtschaftliche Aktivitäten aus. Schwindende Wasservorräte durch Rückzug von Winterschnee und Gletschern beinträchtigen Wasserversorgung, Landwirtschaft und Biodiversität. Meerespiegelanstieg durch Abschmelzen von Gletschern und polaren Eismassen bedroht Küstenregionen weltweit. Das Abschmelzen der arktischen Meereisdecke, das wesentlich schneller vor sich geht als prognostiziert, schafft neue geopolitische und ökologische Voraussetzungen in den hohen Breiten der Nordhemisphäre.

Messung von Fließgeschwindigkeiten am Beispiel des Aletsch-Gletschers. Die Informationen wurden aus flugzeuggetragenen L-Band-Daten extrahiert.

Tandem-L kann wichtige Beiträge zu jeder der fünf Kernfragen auf dem Gebiet der Kryosphäre leisten (als primäre Informationsquelle oder in Synergie mit anderen Sensoren):

  • Exakte Daten zur Massenbilanz der Eisschilde und Gletscher und zu deren Beiträge zum Anstieg des Meeresspiegels,
  • Verbesserte Parametrisierung der Fließdynamik von Eisströmen und Gletschern,
  • Quantifizierung der Dynamik und Thermodynamik von Meereis,
  • Verbessertes Verständnis oberflächennaher Prozesse in Permafrost-Zonen,
  • Kartierung der Wasservorräte in der Winterschneedecke.

Hydrosphäre

Die Hydrosphäre umfasst die ober- und unterirdischen Wasservorkommen der Erde. Vom Weltraum aus gesehen ist unser Planet ein Blauer Planet, der den großen Anteil der Wasserflächen widerspiegelt: drei Viertel der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt. Aufgrund von Klimawandel und anthropogenem Einfluss verändern sich die hydrologischen Bedingungen in immer stärkerem Ausmaß. Dies hat weitreichende Konsequenzen, die von veränderten Energieflüssen bis hin zur verminderten Wasserqualität und -verfügbarkeit reichen. Erstere können wiederum das globale, regionale und lokale Klima beeinflussen, während letztere essentielle Grundvoraussetzungen für die menschliche Entwicklung sowie für nachhaltige ökologische Bedingungen sind. Die Fähigkeit, solche Veränderungen und ihre Auswirkungen auf den Wasserkreislauf zu modellieren und vorherzusagen, ist von großer Bedeutung für die Entwicklung entsprechender Vermeidungs- und Anpassungsstrategien, mit denen potenziell negative Auswirkungen auf Gesellschaft und Wirtschaft reduziert werden können.

Um den Einfluss des Menschen und des Klimawandels auf die Hydrosphäre besser zu verstehen, ist es notwendig, hydrologische Schlüsselprozesse und deren räumliche und zeitliche Muster mit hinreichender Genauigkeit zu kennen. Ein wesentlicher Faktor ist hierbei die Bodenfeuchte, da sie sowohl die Wasser- als auch die Energieflüsse an der Grenzschicht zwischen Landoberfläche und Atmosphäre bestimmt. Die hinreichende Kenntnis der räumlichen Verteilung sowie der zeitlichen Entwicklung der Bodenfeuchte ist grundlegend für die Verbesserung von Modellvorhersagen. Die oberflächennahe Bodenfeuchte ist ein Schlüsselparameter, der den Austausch von Wasser und Energie zwischen Boden und Atmosphäre steuert.

Zur Nachführung von Modellvorhersagen wurden in der letzten Dekade Messungen der Bodenfeuchte aus Fernerkundungsdaten in Datenassimilationsverfahren genutzt. Obwohl hierbei das große Potenzial der Fernerkundung erkannt und demonstriert wurde, gibt es bislang kein geeignetes Observatorium, das entsprechende Daten großflächig mit ausreichender zeitlicher und räumlicher Auflösung erfassen kann. Zwar liefern Satellitenmissionen wie SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) und GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) wichtige Einblicke in den globalen Wasserkreislauf, jedoch ist ihre räumliche Auflösung mit weit über 10 bzw. 100 km für eine Vielzahl von Anwendungen nicht ausreichend. Mit Tandem-L wird es erstmals möglich sein, die Bodenfeuchte über großen Gebieten mit einer räumlichen Auflösung von unter 50 m und in kurzen zeitlichen Abständen zu messen.

Weitere Anwendungen von Tandem-L für die Untersuchung von Prozessen aus der Hydrosphäre, speziell auch im Bereich der Ozeanographie, sind:

  • Wasserstandsänderungen und Fließgeschwindigkeiten,
  • Tidenhub und Bathymetrie (Schifffahrt und Küstenschutz),
  • Interne Wellen,
  • Meeresströmungen (Transport großer Wassermassen).

Wissenschaftliche Anforderungen Bereich von Oberflächenwasser.

Wissenschaftliche Anforderungen Bereich von Ozeanen.

Globales DEM

Für Teile der Erde existieren derzeit nur grobe, uneinheitliche oder lückenhafte Höhenmodelle, die aus einer Vielzahl unterschiedlicher Datenquellen zusammengesetzt sind und mit unterschiedlichen Erhebungsmethoden gewonnen wurden. TanDEM-X wird diese Lücken schließen und ein weltweit homogenes Höhenmodell als unentbehrliche Grundlage für viele wissenschaftliche und kommerzielle Anwendungen liefern. Das TanDEM-X-DEM ist mit einer räumlichen Auflösung von 12 m x 12 m und einer relativen vertikalen Genauigkeit von 2 m spezifiziert und nutzt ein interferometrisches Radarsystem im X-Band, das aufgrund der kurzen Wellenlänge von 3.1 cm nur zu einem geringen Teil in die Vegetation eindringt. Im Gegensatz dazu durchdringt Tandem-L mit einer Wellenlänge von 23.6 cm die Vegetation und kann mit Hilfe der polarimetrischen SAR-Interferometrie sowohl die Oberflächentopographie als auch die Topographie unter der Vegetation abbilden. Damit wird Tandem-L komplementär zu TanDEM-X zusätzlich dringend benötigte Informationen über die Topographie der Erdoberfläche liefern.

TanDEM-X wird das globale digitale Oberflächenmodell in 2014 fertig stellen. Mit einem voraussichtlichen Start von Tandem-L in 2019 könnten erste digitale Gelände- und Oberflächenmodelle in 2020 zur Verfügung stehen. Diese wären damit eine ideale Ergänzung zum Oberflächenmodell der TanDEM-X-Mission. Über die Missionszeit von Tandem-L ist es darüber hinaus möglich, regelmäßig Updates der TanDEM-X-DEMs zu erstellen.

Vergleich von digitalen Höhenmodellen erstellt mittels SAR-Interferometrie in unterschiedlichen Frequenzen (links: L-Band-Geländemodell, rechts: X-Band-Oberflächenmodell). Die Höhenmodelle wurden 2008 mit einem Flugzeug über einem borealen Wald in Nord-Schweden (Kryklan) aufgenommen. Die Bodentopographie im oberen L-Band-Geländemodell wurde mit Hilfe der Pol-InSAR-Technik durch Parameterinversion bestimmt.

Digitale Geländemodelle haben eine grundlegende Bedeutung für ein breites Spektrum von kommerziellen und wissenschaftlichen Anwendungen (geowissenschaftliche Forschungsgebiete, Hydrologie, Glaziologie, Geologie, Permafrost, Forstwirtschaft, Umweltforschung, etc.).  Vom Tandem-L-Wissenschaftsteam sind die Anforderungen an ein globales digitales Geländemodell mit einer räumlichen Auflösung von 50 m x 50 m und einer relativen vertikalen Genauigkeit von circa 4 m formuliert worden. Das globale digitale Geländemodell wäre mit dieser Auflösung einzigartig und die Basis für ein einheitliches Kartenmaterial, das nur mit Tandem-L erreicht werden kann.

 

 

 


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