1. März 2021
Harmony

Zu­kunfts­mis­si­on für un­se­re Er­de

Karte der Deformationsgeschwindigkeit
Kar­te der De­for­ma­ti­ons­ge­schwin­dig­keit
Bild 1/2, Credit: Landsat/Copernicu

Karte der Deformationsgeschwindigkeit

Kar­te der De­for­ma­ti­ons­ge­schwin­dig­keit, die mit 50 Sen­ti­nel-1-Bil­dern über der Hos­hab-Ver­wer­fung (ge­kenn­zeich­net durch die durch­ge­zo­ge­ne schwar­ze Li­nie) in Be­lu­tschis­tan, Pa­kis­tan, er­stellt wur­de. Die Far­ben zei­gen an, ob sich die Erd­ober­flä­che vom Ra­dar weg (ro­te Far­be) oder auf das Ra­dar zu be­wegt (blaue Far­be). Die Be­we­gung ver­läuft haupt­säch­lich par­al­lel zur Ver­wer­fung, die auf ih­rer rech­ten Sei­te meist Nord-Süd ori­en­tiert ist. Da der Sa­tel­lit ei­ner qua­si-po­la­ren Um­lauf­bahn folgt (haupt­säch­lich Nord-Süd ori­en­tiert) und das Ra­dar 90º nach rechts schaut, kann es die Be­we­gung, die auf die­sem Teil der Ver­wer­fung statt­fin­det, nicht er­fas­sen. Erst wenn die Ver­wer­fung be­ginnt, sich in Ost-West-Rich­tung zu bie­gen, wird die Be­we­gung wahr­ge­nom­men, wie man an dem röt­li­chen Be­reich links von der Sen­ti­nel-1-Auf­nah­me er­ken­nen kann. Die spe­zi­el­le Kon­fi­gu­ra­ti­on der Harm­ony-Sa­tel­li­ten er­mög­licht die ge­naue Mes­sung der Nord-Süd-Kom­po­nen­te der Ver­for­mung und da­mit die Be­ob­ach­tung von 3-D-Ver­for­mungsphä­no­me­nen welt­weit.
Darstellung der Stereo- (links) und Cross-Track-Flugformationen (rechts) für Harmony
Dar­stel­lung der Ste­reo- (links) und Cross-Track-Flug­for­ma­tio­nen (rechts) für Harm­ony
Bild 2/2, Credit: © Harmony Mission Advisory Group

Darstellung der Stereo- (links) und Cross-Track-Flugformationen (rechts) für Harmony

Dar­stel­lung der Ste­reo- (links) und Cross-Track-Flug­for­ma­tio­nen (rechts) für Harm­ony. Der Sa­tel­lit Sen­ti­nel-1 ist in schwar­zer Far­be dar­ge­stellt. Sen­ti­nel-1 sen­det ein Si­gnal aus und nimmt die zu­rück­ge­streu­ten Echos auf (dar­ge­stellt mit ro­sa­far­be­nen Pfei­len), wäh­rend die Harm­ony-Sa­tel­li­ten ei­nen Teil der Ener­gie emp­fan­gen, die zu ih­nen zu­rück­prallt (dar­ge­stellt mit den grü­nen Pfei­len).
  • „Harmony“ soll wichtige wissenschaftliche Fragen zu Veränderungen von Meeren, Eis und Land beantworten.
  • ESA wählt „Harmony“ als Zukunftsmission im Bereich Erdbeobachtung aus.
  • Schwerpunkte: Erdbeobachtung, Raumfahrt, Globaler Wandel

Die Veränderungen der Erde und ihr empfindliches Gleichgewicht zu verstehen, ist von immer größer werdender Bedeutung. "Mit der Mission Harmony haben wir die Möglichkeit, neue Einblicke in Prozesse des Erdsystems zu gewinnen. Das stellt eine erhebliche wissenschaftliche und technische Herausforderung dar," betont Prof. Alberto Moreira, Direktor des Instituts für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme beim Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR).

Ozeane, Land und Eisflächen scharf im Blick

Im Fokus der Erdbeobachtungsmission Harmony steht die Beobachtung und Auswertung von kleinsten Bewegungen an der Luft-Meer-Grenzfläche, wie Wind, Wellen, Oberflächenströmungen, außerdem der festen Erde wie bei tektonischen Deformationen und Höhenänderungen an Vulkanen und der Kryosphäre, also Gletscherströme und Höhenänderungen. Die Harmony-Mission wird zwei Satelliten einsetzen, die einem der Copernicus Sentinel-1-Satelliten folgen. Sie fliegen in zwei verschiedenen Formationen. Bei der Stereo-Formation, wird ein Harmony-Satellit jeweils im Abstand von 350 km vor und hinter dem Sentinel-1-Satelliten platziert. In der engen Flugformation werden beide Harmony-Satelliten relativ nahe zueinander – etwa 200-500 Meter – und im Abstand von 350 Kilometern zum Sentinel-1 fliegen. Jeder Harmony-Satellit trägt als Hauptnutzlast ein passives Radar mit synthetischer Apertur (SAR). Dieses erfasst die von Sentinel-1 zur Erde gesendeten reflektierten Signale. Eine thermische Infrarotkamera mit mehreren Blickrichtungen ist ebenfalls an Bord. Damit werden die Wolkenhöhe und die Bewegungsvektoren der Wolken gemessen. "Durch das Zusammenspiel der drei Satelliten gewinnen wir eine Deformationsmessung der Erdoberfläche in drei Dimensionen sowie eine Geschwindigkeitsmessung der Meeresströmungen mit bisher unerreichter Genauigkeit von 0,2 Meter pro Sekunde", betont Prof. Moreira.

Der Weg zum extakten Bild

Die Wissenschaftler des DLR-Instituts für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme sind Teil des Teams, dass den Missionsvorschlag eingereicht hat. Die Beiträge des DLR konzentrieren sich zum einen auf die Konzeption der Harmony-Mission und des Radarsystems, Konsolidierung der Nutzer- und Radarsystemanforderungen und Abschätzung der gesamten Systemleistung. Zum anderen zielen sie auf ein neues Verfahren für die Synchronisation zwischen den Radarsystemen der Harmony-Satelliten und Sentinel-1 ab. Darüber hinaus entwickelt das Institut ein aufwendiges Software-Tool zur Berechnung der Leistung der Radarsysteme sowie für die Erstellung von simulierten Radarbildern. In einem nächsten Schritt werden Algorithmen genutzt, um dreidimensionale Deformationskarten der Erdoberfläche und topographische Veränderungen an Vulkanen zu berechnen. Damit wird der Nachweis erbracht, dass die Nutzeranforderungen an Genauigkeit der Messungen erfüllt werden. Nicht zuletzt hat das Institut eine luftgestützte Kampagne mit dem Flugzeug-SAR-System in Nordkanada und weitere Datenaufnahmen mit den Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X von der Meeresoberfläche um die Karibikinsel Barbados durchgeführt. Die daraus resultierenden Daten werden von den Wissenschaftlern zur Vorbereitung der Datennutzung der Mission genutzt.

Ein Stück weiter in die Zukunft

Drei Missionen, Daedalus, Harmony und Hydroterra, wurden in den letzten zwei Jahren auf ihre wissenschaftliche, technische und finanzielle Machbarkeit als zehnte ESA-Mission geprüft. Sie wurden 2018 aus 21 eingereichten Vorschlägen für eine Machbarkeitsstudie ausgewählt. "Unsere nächste Herausforderung ist die erfolgreiche Durchführung der Phase A der Harmony-Mission. Die Industrie- und Wissenschaftsteams haben noch anderthalb Jahre harter Arbeit vor sich, um zu zeigen, dass die Mission den technologischen und wissenschaftlichen Reifegrad erreicht hat, der für den Eintritt in die Realisierungsphase erforderlich ist, welcher schließlich zum Start der Harmony-Satelliten bis zum Ende dieses Jahrzehnts führen wird", erklärt Prof. Moreira.

Diese Phase, die sogenannte Phase A, umfasst eine weitere Durchführbarkeitsbewertung, einschließlich des Entwurfs der Satellitenplattform und der Satelliteninstrumente, des Flugbetriebs sowie der technologischen Entwicklungen.

Dr. Pau Prats, Mitglied der ESA Mission Advisory Group für Harmony und Wissenschaftler am Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme, ist von den Vorteilen dieser Mission überzeugt: „Die einzigartige Konfiguration der Harmony-Satelliten in Kombination mit Sentinel-1 wird den SAR-Beobachtungen eine neue Dimension hinzuzufügen, die ganz neue Anwendungen in den nächsten zwei Jahrzehnten ermöglichen wird.“

Kontakt
  • Miriam Poetter
    Kom­mu­ni­ka­ti­on Ober­pfaf­fen­ho­fen, Augs­burg, Weil­heim
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Po­li­tik­be­zie­hun­gen und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 8153 28-2297
    Fax: +49 8153 28-1243
    Münchener Straße 20
    82234 Weßling
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  • Dr. Pau Prats
    SAR-Tech­nol­gie
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Hoch­fre­quenz­tech­nik und Ra­dar­sys­te­me
    Münchner Straße 20
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  • Dr. Marc Rodriguez Cassola
    Ra­dar­kon­zep­te
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