Atmosphärisches Lidar-Instrument auf Klimasatellit verbessert Verständnis von Aerosolen und Wolken

Das Atmosphärenlidar ATLID, das letzte von vier Instrumenten an Bord des im Mai gestarteten Satelliten EarthCARE, wurde nun erfolgreich in Betrieb genommen. Die gemeinsame Mission der europäischen Weltraumorganisation ESA und der japanischen Weltraumagentur JAXA soll Wolken, Aerosole und Strahlung präziser vermessen als je zuvor.

Einen wichtigen Beitrag leisten Forscher vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), indem sie Algorithmen entwickeln, die aus den Messungen des Instruments die Aerosol- und Wolkenschichtung ableiten. Auch eine großangelegte Messkampagne mit rund 50 Bodenstationen des europäischen ACTRIS-Netzwerks, koordiniert vom TROPOS in Leipzig, trägt zur Präzision des neuen Klimasatelliten bei.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Bulletin der Amerikanischen Meteorologischen Gesellschaft.

Atmosphärisches Lidar komplettiert neuen Klimasatelliten

Ausgestattet mit vier hochmodernen Instrumenten – einem Wolkenprofilradar, einem atmosphärischen Lidar, einem Breitbandradiometer und einem Multispektral-Imager – wird EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) eine Reihe verschiedener Messungen gleichzeitig durchführen.

Zusammen werden diese Messungen helfen, besser zu verstehen, wie Wolken und Aerosole einfallende Sonnenenergie zurück in den Weltraum reflektieren und wie sie die von der Erde abgegebene Wärmestrahlung einfangen. Diese Informationen sind wichtig, um zu verstehen, wie sich der Klimawandel auf den Energiehaushalt der Erde auswirkt und um vorherzusagen, wie schnell Wolken und Aerosole in Zukunft ihre derzeitige kühlende Wirkung verlieren könnten.

EarthCARE wurde am 29. Mai 2024 in die Erdumlaufbahn gebracht. Bereits einen Monat später lieferte der Satellit die ersten Bilder seines Wolkenprofilradars, kurz darauf folgten die ersten Bilder seines Breitbandradiometers, des Multispektralbildgebers und schließlich im August des Atmosphärenlidars. Dieses hochmoderne Instrument zeichnet detaillierte vertikale Profile von Aerosolen und Wolken in der Atmosphäre über verschiedenen Regionen der Erde auf.

Aerosole sind winzige Partikel und Tröpfchen aus natürlichen Quellen wie Staub und Meersalz sowie aus menschlichen Aktivitäten wie Industrieabgasen oder Holzverbrennung. Der Laser sendet kurze ultraviolette Lichtimpulse aus, die von atmosphärischen Zielen reflektiert und in einem hochempfindlichen Empfänger analysiert werden.

Aus der Laufzeit lässt sich die Entfernung bestimmen, aus der Signalstärke die Konzentration und aus der Polarisation die Art des Aerosols. Damit sind Messungen der Verteilung und Eigenschaften von Aerosolen und Wolken möglich, darunter deren Höhe, Dicke, optische und physikalische Eigenschaften.

Um die Rolle von Aerosolen und Wolken im Energiehaushalt der Erde besser zu verstehen, ist die Synergie mit den anderen drei Instrumenten des Satelliten von entscheidender Bedeutung. Damit diese Berechnungen instrumentenübergreifend funktionieren, wurde eigens ein neues Aerosolklassifizierungsmodell („Hybrid End-to-End Aerosol Classification“, kurz HETEAC) als Grundlage für die Aerosoltypisierung entwickelt. Insbesondere das atmosphärische Lidar ATLID wird zudem einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Luftqualitätsvorhersagen leisten.

Ulla Wandinger, die seit vielen Jahren an der Entwicklung von ATLID beteiligt ist, ist von den ersten Messungen begeistert: „Die Fülle der Daten und der detaillierte Einblick in die Strukturen der Atmosphäre sind absolut beeindruckend.“ EarthCARE habe das Potenzial, das Verständnis von Aerosolen, Wolken und deren Wechselwirkungen sowie die Klimaforschung entscheidend voranzubringen.

Die ersten Bilder vom August zeigen die Vielfalt der Aerosole und Wolken in der Erdatmosphäre: etwa ein Profil der Polar Stratosphere Clouds (PSC) über der Antarktis, die eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Ozonlöchern spielen, oder der tropische Sturm Debby über dem Golf von Mexiko sowie Rauchschwaden von Waldbränden in Kanada.

Simonetta Cheli, ESA-Direktorin für Erdbeobachtungsprogramme, sagte: „Nach den ersten Bildern der anderen drei Instrumente von EarthCARE können wir nun auch sehen, wie gut das atmosphärische Lidar funktioniert. Diese Profile des atmosphärischen Lidars entsprechen genau unseren Erwartungen, nachdem das Instrument seine routinemäßigen Dekontaminations- und Kalibrierungsprozesse durchlaufen hat.“

„Das atmosphärische Lidar verschafft uns völlig neue Einblicke in die vertikale Verteilung von Wolken und Aerosolen und bringt uns gemeinsam mit den anderen Instrumenten auf Kurs, neue wissenschaftliche Erkenntnisse über den Energiehaushalt der Erde zu gewinnen.“

Umfangreiche Messkampagnen im Atlantik und in Europa

Damit die Daten der neuen Instrumente optimal genutzt und interpretiert werden können, ist der Vergleich mit bodengestützten und flugzeuggestützten Messungen in möglichst vielen Situationen wichtig. Aus diesem Grund laufen derzeit eine Reihe aufwändiger internationaler Messkampagnen.

Bis November wird das deutsche Forschungsflugzeug HALO unter der EarthCARE-Spur mehrmals von Cabo Verde im Atlantik, von Barbados in der Karibik und von Oberpfaffenhofen in Deutschland fliegen. Die Validierungsmission HALO-PERCUSION wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) geleitet. Beteiligt sind zudem eine Reihe von Partnern, darunter auch die Universität Leipzig. PERCUSION ist eines von mehreren Teilprojekten des vom MPI-M koordinierten Forschungsprojekts ORCESTRA (Organised Convection and EarthCare Studies over the Tropical Atlantic).

Ein weiteres Teilprojekt ist CLARINET (CLoud and Aerosol Remote sensing for EarThcare), in dem TROPOS-Forscher die neue Fernerkundungsstation ACTRIS des Cabo Verde Atmospheric Observatory (CVAO) am Ocean Science Centre in Mindelo (OSCM) nutzen, um EarthCARE-Daten im tropischen Atlantik zu validieren und mit Langzeitmessungen zu vergleichen.

Eine wichtige Rolle bei der Kalibrierung der Daten des Satelliten EarthCARE spielen die Bodenstationen der europäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS: Sie wurden in den letzten Jahren auf- und ausgebaut, um Aerosolpartikel und Wolken mit Fernerkundungsinstrumenten wie Lidar und Radar zu analysieren.

An der Messkampagne atmo4ACTRIS sind rund 50 Stationen in Europa und Übersee beteiligt. Dieses dichte Netz bietet den großen Vorteil, dass EarthCARE praktisch jeden Tag mindestens eine der Stationen überfliegt, denn die niedrige Erdumlaufbahn sorgt dafür, dass der Satellit unseren Planeten in Streifen „überfliegt“ und nur alle 25 Tage zum selben Teil der Erde zurückkehrt. Eine einzelne Bodenstation reicht für die Kalibrierung also nicht aus.

„Im Rahmen des Infrastrukturprojektes ATMO-ACCESS haben wir die Messkampagne Ende letzten Jahres zwei Monate lang mit simulierten Überflügen geprobt, um uns auf die komplexe Aufgabe vorzubereiten. Das war sehr hilfreich, denn die ACTRIS-Stationen arbeiten zwar alle nach den gleichen Standards, haben aber teilweise sehr unterschiedliche Hintergründe, was die Validierung von Satellitendaten angeht. Wir alle freuen uns darauf, die ersten EarthCARE-Daten mit den bodengestützten Messungen zu vergleichen“, sagt Dr. Holger Baars vom TROPOS, der die Kampagne von Leipzig aus koordiniert.

Beteiligt sind neben den TROPOS-Stationen in Leipzig und Melpitz auch Stationen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) in Hohenpeißenberg und Lindenberg, der Universität zu Köln (UzK) in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich (FZJ), des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sowie der Universität Leipzig. Auch aus Übersee liefern deutsche Partner wichtige Daten: Das Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) steuert in Kooperation mit der UzK Beobachtungen aus Ny-Ålesund in der Arktis bei, und TROPOS stellt Daten von drei Stationen im Staubgürtel der Erde zur Verfügung: Kap Verde im Atlantik, Limassol auf Zypern und Duschanbe in Tadschikistan.