Forscher entwickeln neue Software für den neuen europäisch-japanischen Erdbeobachtungssatelliten EarthCARE

Die Vorbereitungen für den Start des neuen Erdbeobachtungssatelliten EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) Ende Mai laufen auf Hochtouren. Die gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der japanischen Raumfahrtagentur (JAXA) soll Wolken, Aerosol und Strahlung präziser vermessen als je zuvor. Möglich wird das durch die Verknüpfung von vier hochmodernen Instrumenten.

Einen wichtigen Beitrag zur Mission leisten drei sogenannte Prozessoren, die das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) gemeinsam mit Partnern entwickelt hat. Diese Algorithmen wurden nun beschrieben ausführlich in einer Sonderausgabe der Zeitschrift Atmosphärische Messtechniken.

Die neue Software ermöglicht es, Wolkeneigenschaften aus dem passiven Spektrometer (MSI), Aerosol- und Wolkenschichten aus dem aktiven, spektral hochauflösenden Lidar (ATLID) sowie synergetische Wolken- und Aerosolprodukte aus beiden Instrumenten abzuleiten. Damit diese Berechnungen geräteübergreifend funktionieren, wurde als Grundlage für die Aerosoltypisierung ein Aerosolklassifizierungsmodell (HETEAC) entwickelt.

EarthCARE wird erstmals ein hochauflösendes Lidar und ein Doppler-Wolkenradar mit passiven Sensoren kombinieren und ist damit die komplexeste Satellitenmission, die jemals zur Erforschung von Aerosolen, Wolken und deren Strahlungseffekten ins All geschickt wurde. Die Entwicklung von EarthCARE dauerte mehr als 15 Jahre und kostete rund 800 Millionen Euro.

Für die Wissenschaft bietet der Satellit große Chancen: Modernste Technologie an Bord liefert vielfältige Daten, die die Genauigkeit von Klimamodellen verbessern und numerische Wettervorhersagen unterstützen.

Der 17,2 Meter lange, 2,5 Meter breite, 3,5 Meter hohe und rund 2.200 Kilogramm schwere Satellit EarthCARE wurde vom deutschen Hauptauftragnehmer Airbus in Friedrichshafen montiert, gemeinsam mit der ESA ausgiebig getestet und anschließend per Flugzeug nach Vandenberg (Kalifornien, USA) transportiert, wo er Ende Mai mit einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX in seine Zielumlaufbahn in 393 Kilometer Höhe gebracht wird.

Der Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE) ist mit vier Instrumenten ausgestattet: einem Doppler-Wolkenradar, einem Lidar mit hoher spektraler Auflösung, einem bildgebenden Spektrometer und einem Breitbandradiometer mit drei verschiedenen Blickrichtungen. Die Instrumente werden synergetische Beobachtungen von Aerosol, Wolken, Strahlung und deren Wechselwirkungen mit bisher unerreichter Genauigkeit liefern.

Eines der Ziele der Mission besteht darin, die gemessenen und berechneten Strahlungsströme an der Obergrenze der Atmosphäre für eine Momentaufnahme von 100 Quadratkilometern mit einer Genauigkeit von 10 Watt pro Quadratmeter abzugleichen, was das Wissen über die globale Strahlungsantriebskraft deutlich verbessern würde.

Die EarthCARE-Daten werden mithilfe einer ausgeklügelten Datenverarbeitungskette nahezu in Echtzeit (nahezu in Echtzeit) berechnet. Das Lidar liefert vertikale Profile und damit einen Querschnitt der Atmosphäre entlang der Flugroute des Satelliten.

Die am TROPOS entwickelten Algorithmen ermitteln daraus die Wolkenobergrenze und die Höhe von Aerosolschichten, die zum Beispiel aus Saharastaub oder Rauch von großen Waldbränden bestehen können. Diese Algorithmen werden im Fachjargon auch Prozessoren genannt und sind das softwaremäßige Herzstück der Datenanalyse.

Das abbildende Spektrometer ermöglicht zusätzlich zum Lidar die Charakterisierung der Atmosphäre anhand einer horizontalen, 150 km breiten Abbildung der Wolken- und Aerosoleigenschaften. Die mikro- und makrophysikalischen Wolkeneigenschaften, wie die optische Wolkendicke, der Wolkentröpfchenradius und die Wolkenoberkante, werden mit einem weiteren, am TROPOS entwickelten Prozessor bestimmt.

Der dritte am TROPOS entwickelte Prozessor kombiniert die höhenaufgelösten Informationen des Lidars mit den horizontalen Informationen des Spektrometers, um ein verbessertes dreidimensionales Bild der Atmosphäre entlang der Flugroute des Erdsatelliten zu erhalten. Die Aerosolklassifizierung in allen EarthCARE-Algorithmen basiert auf dem HETEAC-Modell (Hybrid End-to-End Aerosol Classification).

„Das vom TROPOS gemeinsam mit Partnern entwickelte Aerosolklassifizierungsmodell HETEAC spielt bei der Aufbereitung der Daten eine zentrale Rolle, denn es sorgt dafür, dass die Geräte sozusagen die gleiche Sprache sprechen und ihre Daten ein einheitliches Gesamtbild ergeben“, erklärt Dr. Ulla Wandinger vom TROPOS, die die Entwicklung dieses Modells geleitet hat.

In die Analyse der Lidar- und Spektrometerdaten fließen aber auch jahrzehntelanges Know-how in der Wolken- und Aerosolbeobachtung des TROPOS ein.

„Die in unseren Prozessoren entwickelten Abrufmethoden werden dafür sorgen, dass sich die Qualität der Wolken- und Aerosoldaten deutlich verbessert“, berichtet Dr. Anja Hünerbein, die maßgeblich an der Entwicklung der Software für das Passivspektrometer beteiligt war.

Forscher vom TROPOS in Leipzig haben nicht nur an der Software mitgearbeitet, sondern werden auch an der Überprüfung und Kalibrierung der Daten beteiligt sein. Denn eine sorgfältige Validierung der Messungen ist notwendig, um die ehrgeizigen wissenschaftlichen Ziele der EarthCARE-Mission zu erreichen.

Die europäische Forschungsinfrastruktur ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure) spielt im Validierungsprozess eine tragende Rolle. Die ACTRIS-Fernerkundungsstationen sind hierfür bestens ausgerüstet: Die Standardausrüstung, bestehend aus einem Hochleistungslidar und einem Sonnenphotometer für Aerosolmessungen sowie einem Dopplerradar und einem Mikrowellenradiometer für Wolkenmessungen, ermöglicht zusammen mit dem ACTRIS-Qualitätssicherungskonzept eine detaillierte Überprüfung aller EarthCARE-Aerosol- und Wolkenprodukte.

„Workflows zur Beobachtung, Datenverarbeitung und Bereitstellung der Daten in nahezu Echtzeit wurden bereits entwickelt und ausgiebig getestet. Für diesen Sommer organisieren wir eine mehrmonatige Kampagne mit über 40 Stationen“, sagt Dr. Holger Baars vom TROPOS, der die Kampagne koordiniert. Neben den TROPOS-Stationen in Leipzig (Deutschland), Mindelo (Kap Verde) und Duschanbe (Tadschikistan) werden auch viele ACTRIS-Stationen in ganz Europa beteiligt sein.

Die umfangreichen Validierungsbemühungen des TROPOS und vieler internationaler Forscherteams dienen dazu, die entwickelten Prozessoren und die damit ermittelten Messgrößen genau zu überprüfen. Erst dann wird wirklich klar, wie gut sich die Eigenschaften von Aerosol und Wolken sowie deren Strahlungseffekte mit EarthCARE bestimmen lassen und wie die global gemessenen Daten dazu genutzt werden können, unser Verständnis der Atmosphäre zu verbessern.

Europas neues „Auge“ im All wird mit Hilfe der Bodenstationen die komplizierten Wechselwirkungen zwischen Wolken, Aerosol und Strahlung klarer und präziser erkennen können als je zuvor.