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Radar-Blick auf tauende Arktis
Redaktion
/ Pressemitteilung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V.
astronews.com
19. September 2018
Im Rahmen einer Messkampagne zum Test von neuartigen
Radartechnologien wurden nun umfassende Flüge über Permafrost-Regionen in
Kanada durchgeführt. Die dabei gewonnen Erkenntnisse sollen helfen, mehr über
das Auftauen des hier über lange Zeit gefrorenen Bodens infolge der
Klimaerwärmung zu lernen. Außerdem dienen die Daten der Vorbereitung künftiger
Satellitenmissionen.
Herschel Island liegt an der Nordwestspitze
Kanadas und ist von durchgängigem Permafrost
geprägt. Die PermASAR-Radaraufnahme vom August
2018 offenbart im L-Band Frequenzbereich
Vegetation (dunkelgrüne Färbung) in der ansonsten
baumlosen Tundra.
Bild: DLR (CC-BY 3.0)[Großansicht] |
Wissenschaftler des Instituts für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme des
Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickeln spezielle
Radartechnologien und Analyseverfahren, die eine hochgenaue Beobachtung von
Permafrost ermöglichen. Im Rahmen des DLR-Projekts PermASAR (Permafrost Airborne
SAR Experiment) führen sie dazu umfassende Messflüge über der Permafrostregion
von Kanada durch. Die erste Messkampagne mit einer Befliegung von zehn
Testgebieten entlang eines 2000 Kilometer langen Nord-Süd-Gradienten, von
borealen Wäldern im Norden Saskatchewans bis an die kanadische Arktisküste,
wurde nun erfolgreich abgeschlossen. Kooperationspartner des DLR ist das
Nationale Kanadische Zentrum für Erdbeobachtung (Canada Centre for Mapping and
Earth Observation, CCMEO).
Permafrost prägt seit Jahrtausenden den Untergrund der arktischen und
subarktischen Breiten und reicht von wenigen Metern bis mehr als einen Kilometer
tief ins Erdinnere. Doch die globale Erwärmung lässt den dauerhaft gefrorenen
Boden seit einigen Jahrzehnten drastisch auftauen. Besonders kritisch ist dabei
der Austritt der Treibhausgase Methan und Kohlenstoffdioxid, die in riesigen
Mengen abgestorbener Pflanzenreste im Eis gebunden sind und nun zunehmend in die
Atmosphäre freigesetzt werden.
Im Gegensatz zu räumlich begrenzten Bodenmessungen, die gerade in abgelegenen
Regionen wie der kanadischen Artkis nur mit hohem Aufwand realisierbar sind,
ermöglicht Erdbeobachtung aus dem All eine flächendeckende und vor allem
kontinuierliche Beobachtung des Permafrosts. Aufgrund der Unabhängigkeit von
Tageslicht und Wetterbedingungen eignen sich hierfür insbesondere
Radarsatelliten wie die aktuellen deutschen Missionen TerraSAR-X und
TanDEM-X, die für die Zukunft vorgeschlagene Mission Tandem-L
sowie die RADARSAT Constellation Mission der Kanadischen
Raumfahrtagentur CSA.
"Um die Entstehung und Auswirkungen des globalen Klimawandels genau verstehen
und vorhersagen zu können, benötigt die internationale Forschungsgemeinschaft
dringend Datengrundlagen. Das DLR kann mithilfe der Radar-Fernerkundung einen
wichtigen Beitrag dazu leisten - das gilt insbesondere für hochinnovative
Satellitenmissionen wie Tandem-L. Die Erkenntnisse aus den PermASAR-Messungen
sind essenziell zur Vorbereitung auf Tandem-L, um die dynamischen Prozesse in
der Arktis künftig im Wochenrhythmus sichtbar zu machen", erklärt Prof. Dr.
Pascale Ehrenfreund, Vorstandsvorsitzende des DLR.
Ausgehend von den Basisstationen Inuvik und Yellowknife in den kanadischen
Nordwest-Territorien untersuchte das Projektteam des DLR-Instituts für
Hochfrequenztechnik und Radarsysteme insgesamt zehn Testgebiete. Die Messflüge
führten von der Nordwestspitze Kanadas mit baumloser Tundra und durchgehendem
Permafrost in Richtung Süden, über Taiga-Gebiete mit vereinzelten Waldgebieten
und diskontinuierlichem Permafrost, bis an die Grenze zur kanadischen Prärie mit
den permafrostfreien großflächigen borealen Wald- und Feuchtgebieten von
Saskatchewan.
Im Einsatz war dazu das DLR-Forschungsflugzeug Dornier Do 228-212, das sich
aufgrund seiner robusten Bauweise und zahlreichen Modifikationen ideal für
Fernerkundungsmissionen eignet und von der DLR-Einrichtung Flugexperimente
betrieben wird. Das Betriebsteam ist auch für die Flugplanung zuständig und
unterstützt die Wissenschaftler vor und während der Mission.
Das Forschungsflugzeug ist mit dem DLR-Radarsystem "F-SAR" ausgerüstet und
zeichnete für die PermASAR-Messungen die polarimetrischen und
interferometrischen SAR (Synthetic Aperture Radar)-Daten in vier
Frequenzbereichen auf, im X-, C-, S- und L-Band. Die verschiedenen Frequenzen
zusammen mit innovativen 3-D Radartechnologien, der sogenannten "SAR
Tomographie", ermöglichen den Wissenschaftlern aus Oberpfaffenhofen eine
umfassende Analyse der Vegetation und unterschiedlicher Umweltsysteme.
Erste Auswertungen zeigen bereits die Diversität in Bewuchs und Böden der
Testgebiete und den komplementären Informationsgehalt der Bilddaten aus den
verschiedenen Radarfrequenzen. So lassen die Messungen im L-Band, aufgrund der
langwelligen Radarssignale, bereits Unterschiede zwischen den verschiedenen
Bodenbeschaffenheiten unter der Vegetation erkennen.
Während der aktuellen Messkampagne "PermASAR" wurden bewusst die
Eigenschaften des Permafrosts in den vergangenen vier Augustwochen erfasst, da
die Böden im Sommer unterschiedliche Auftautiefen aufweisen. Um auch Einblicke
in den komplett bis an die Oberfläche gefrorenen Zustand der Permafrostregionen
zu erhalten, wird das PermASAR-Team im Frühjahr 2019 eine zweite Messkampagne
mit dem F-SAR-Instrument durchführen und dieselben Testgebiete im kanadischen
Norden erneut befliegen. So können die Radarexperten von DLR, CCMEO und weiteren
Forschungspartnern speziell die jahreszeitlichen Veränderungen in der Arktis
beobachten und charakterisieren.
Der vollständige Datensatz der PermASAR-Messungen wird neue
Anwendungsmöglichkeiten für die Radar-Fernerkundung eröffnen und das Verständnis
der Permafrost-Veränderungen vertiefen. Die umfassenden Messungen schaffen eine
einzigartige Datengrundlage, die den Wissenschaftlern nun die Entwicklung neuer
Algorithmen für die optimale Datenauswertung zur Bestimmung bio- und
geophysikalischer Parameter erlauben. Für die Klima- und Umweltforschung sind
neben der Charakterisierung der Vegetation auch Informationen zur Auftautiefe
und Oberflächenstruktur der Permafrostböden, lokale Bodenhebungen und
-absenkungen sowie die Ausprägungen von Thermokarst relevant.
Dies ist insbesondere im Hinblick auf die derzeit konzipierte neue
Radarsatellitenmission Tandem-L von Bedeutung. Denn trotz des Umdenkens in der
Erdbeobachtung - hin zu speziellen Geoinformationen für den Endnutzer - gibt es
heute nur wenige Missionen, die direkt umwelt- und klimarelevante Informationen
mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung bereitstellen. Dies ist jedoch
Voraussetzung, um die dynamischen Prozesse der Arktis und anderer Ökosysteme zu
verstehen - ein Kernansatz für Tandem-L.
Für die Zusammenarbeit zwischen dem DLR und Kanada im Bereich der
Raumfahrtforschung gilt PermASAR bereits heute als Leuchtturmprojekt im Bereich
Erdbeobachtung. Den Grundpfeiler bildet dabei die erfolgreiche Kooperation zum
Empfang von Satellitendaten über die "Inuvik Satellite Station Facility" (ISSF)
in der kanadischen Arktis. Das kanadische Erdbeobachtungszentrum CCMEO betreibt
die polnahe Station und ist gemeinsam mit dem DLR Gründungspartner.
Die ISSF ist entscheidend für den reibungslosen Datenempfang der deutschen
Radarsatellitenmission TanDEM-X und feiert nächstes Jahr ihr
zehnjähriges Bestehen. Darüber hinaus könnte die ISSF in Zukunft nicht nur für
kommende Satellitenmissionen wie die RADARSAT Constellation Mission und
Tandem-L vorbereitet werden, sondern neben dem anspruchsvollen
Datenverkehr auch zusätzliche Services bieten. Die kanadischen Partner planen in
Inuvik den Aufbau eines Datenauswertungszentrums, das neben operationellen
Geo-Informationsdiensten auch lokal die Forschung und Ausbildung fördern soll.
So ist unter anderem auch das Aurora Research Institute in Inuvik
beteiligt, das seit vielen Jahren in enger Partnerschaft mit dem DLR verbunden
ist. PermASAR ergänzt nun die Kooperation in der Arktis auf wissenschaftlicher
wie auch auf anwendungsorientierter Seite. Das DLR und CCMEO setzen damit auf
zukunftsweisende Technologien und Methoden der Radarfernerkundung aus dem All,
um das fragile Ökosystem der Arktis besser verstehen und hinsichtlich des
globalen Wandels gezielt schützen zu können.
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