Satellitenbeobachtungen und Klimaeinfluss auf den Planeten

Um die Grenzen des Universums zu erweitern, richtet der Mensch seinen Blick immer weiter zu den Sternen. Dieser Weg, der von Denkern, Wissenschaftlern und natürlich von Science-Fiction-Autoren vorgezeichnet wurde, hat die Menschheit seit Jahrhunderten angezogen. Er war schon immer eine Herausforderung, dornig und konkurrenzbetont, aber der Mensch ist ein fantastisches Teilchen des Kosmos, das immer weiter voranschreitet, ihn entdeckt, erobert und zu seinem eigenen Zuhause macht. Die Raumfahrtprogramme erfordern immer mehr Ressourcen, die selbst für die größten Länder zu viel sind. Das treibt sie zur internationalen Zusammenarbeit im nahen und fernen Weltraum. Raumfahrtagenturen wie ESA, NASA usw. schlagen ein neues Kapitel in der globalen Klimaforschung auf, indem sie integrierte Überwachungsprojekte starten, um wirksame Strategien zur Bekämpfung der Klimakrise und zur Lösung von Umweltproblemen zu entwickeln. Das langfristige Programm umfasst eine Reihe von Erkundungsmissionen im Weltraum: Earth Observations (OT).

Laut dem UNEP-Bericht "befindet sich die Welt im Epizentrum einer dreifachen planetarischen Krise, die mit dem Klimawandel, dem Verlust der biologischen Vielfalt, der Umweltverschmutzung und der Verschwendung zusammenhängt. Der Weg zu einer nachhaltigen Entwicklung wird immer steiler und schmaler, während sich das Fenster der Möglichkeiten schließt". Die Erde ist ein äußerst komplexes System, das sich durch ein einzigartiges Gleichgewicht reproduziert, dessen Ungleichgewicht irreversible Prozesse der Zerstörung des planetarischen Ökosystems verursachen könnte. Laut dem letzten European Information Bulletin von 2024 war 2023 das wärmste Jahr aller Zeiten; biologische Gemeinschaften werden immer homogener, was zu einem Rückgang der Biodiversität und dem Aussterben vieler Arten führt; in den letzten 50 Jahren gab es einen irreversiblen Anstieg direkter und indirekter anthropogener Faktoren, die die Biosphäre beeinflussen. Die Bedeutung des Klimawandels und seiner Auswirkungen auf die biologische Vielfalt des Planeten ist erschreckend offensichtlich.

Satellitenbeobachtung (OS) ist der Prozess der Analyse der Erde durch Fernerkundung, der in der Messung der elektromagnetischen Strahlung von Erde und Atmosphäre besteht. Je nach den Instrumenten führen Satelliten passive oder aktive Erkundungen durch. Im passiven Modus messen sie die Eigenstrahlung der Erde oder das reflektierte Sonnenlicht im sichtbaren oder infraroten Spektrum. Im aktiven Modus scannen sie das Gebiet mit Radar (Mikrowellen- oder Laserstrahlung) und empfangen ein reflektiertes Signal, um die Höhe der Vegetation, die Tiefe der Gletscher und den Meeresspiegel zu messen. EO-Satelliten (Earth Observation) werden in orbitale und geostationäre Satelliten unterteilt. Orbitale Satelliten befinden sich auf einer polaren Umlaufbahn in niedriger oder mittlerer Höhe und decken die gesamte Erdoberfläche ab, während geostationäre Satelliten sich etwa 35 786 km über dem Erdäquator befinden und scheinbar unbeweglich am Himmel stehen, da sie sich mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Erde bewegen.

Die Satellitenbeobachtung (OS) durch Tele-Sensing (TR) umfasst die Klimaüberwachung, die Wettervorhersage und die Untersuchung der Veränderungen in den Ökosystemen und der Atmosphäre und ihrer gegenseitigen Auswirkungen. Insbesondere: Atmosphäre: Temperatur, Druck, Treibhausgasgehalt; Ozeane und Meere: Wassertemperatur, Strömungen, Meeresspiegel; Gletschereiskappen: Veränderungen der Gletscher und des Schmelzniveaus; Boden und Vegetation: Bodenbeschaffenheit, Vegetation, Wälder; Städte und anthropogene Veränderungen, Umweltauswirkungen; Luftverschmutzung: Zusammensetzung, Konzentration von Schadstoffen; Anomale Ereignisse: Hurrikane, Dürren, Überschwemmungen; Biodiversität: Überwachung der Vielfalt von Lebewesen und Ökosystemen. Diese Forschungsbereiche bieten einen umfassenden Überblick über den Zustand unseres Planeten und seine Veränderungen. Sechs dieser Bereiche sind auch zu Prioritäten der Copernicus-Missionen geworden und bilden die Grundlage für die OS.

Die OS Technologie hat sich in den sechzig Jahren seit dem Start des ersten Sputnik-1-Satelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn im Jahr 1957 mit einem einfachen Funksender an Bord stark weiterentwickelt. Fortschritte in der Wissenschaft, der Telekommunikation und die Entwicklung neuer Fernerkundungstechniken wie passive Multi- und Hyperspektralinstrumente sowie LiDAR- und aktive Radarsensoren mit synthetischer Apertur (SAR) haben es ermöglicht, die Satellitenmissionen im Laufe der Jahre an ein breiteres Spektrum von Anwendungen anzupassen, um immer komplexere Aufgaben zu bewältigen. Der 2002 gestartete Umweltsatellit der ESA (Envisat) war mit vielen verschiedenen Sensoren ausgestattet und lieferte eine breite Palette von Schlüsseldaten über Ozeane, Land, Atmosphäre und Kryosphäre. Die ESA hat bereits die Sentinel-Familie von OS-Satelliten entwickelt und in Betrieb genommen, um das Copernicus-Projekt zu unterstützen, das bisher das ehrgeizigste europäische Programm ist. Ein Kuriosum ist die Einführung der künstlichen Intelligenz AI in Satellitenverfolgungsprogramme.

Die Wissenschaftler der University of Leeds haben ein neuronales Netz vorgestellt, das große antarktische Eisberge auf Satellitenbildern in nur 0,01 Sekunden schnell und genau erkennen kann. Diese neue Methode verbessert die bisherigen mühsamen Verfahren erheblich. Mit Hilfe des Radars Copernicus Sentinel-1 werden Satellitendaten an eine künstliche Intelligenz zur Analyse und Kartierung von Eisbergen übertragen. Aufgrund ihrer Verschmelzung mit dem umgebenden weißen Terrain ist es schwierig, die genauen Konturen der Eisberge zu bestimmen. Die künstliche Intelligenz meistert diese Herausforderung jedoch gut, indem sie ihre Algorithmen anpasst. Seine Architektur basiert auf dem U-Netz-Design, und das Training findet auf verschiedenen Sentinel-1-Daten statt. Nach einer automatischen Parameterkorrektur für eine optimale Leistung erreicht das System eine Genauigkeit von 99%.

Das OS spielt eine wichtige Rolle bei der Untersuchung und dem Management von Ökosystemen und der biologischen Vielfalt. Die Landsat-Satelliten, Veteranen der EO seit 1972, sind eine Reihe von hochauflösenden Satelliten, die von der NASA gestartet wurden. Ihre innovativen Technologien ermöglichen die Überwachung der Pflanzengesundheit, der Bevölkerungsdichte, der Artenwanderungen und des Zustands der Biodiversität. Die Integration von Landsat-Daten mit bodengestützten Sensoren ermöglicht es, die Dynamik von Ökosystemen in Raum und Zeit zu untersuchen und Entscheidungen für die Landbewirtschaftung und den Naturschutz zu treffen. Seit seinem ersten Start hat Landsat mehrere Missionen durchgeführt, die einen kontinuierlichen Datenstrom liefern. Mit einem Trio kleinerer Satelliten, von denen jeder in der Lage ist, 26 verschiedene Wellenlängen zu erfassen, unterscheidet sich die Landsat Next-Mission grundlegend von ihren Vorgängern in 50 Jahren OT.

Die Forscher von der Griffith University fanden heraus, dass weniger als 13 % des australischen Opossum-Lebensraums in Queensland aufgrund starker Regenfälle und Waldbränden vom Aussterben bedroht sind. Sie verwendeten Landsat-Fernerkundungsdaten zur Kartierung der Waldbedeckung, GEDI-Lidar-Daten zur Kartierung der Waldhöhe und GlobBiomass-Daten zur Bewertung der Walddichte und Biomasse. Die Satellitendaten halfen bei der Erstellung einer Karte der Waldmerkmale und des Reifegrads, um Gebiete zu ermitteln, die für Opossums günstig sind. Die Forschungsergebnisse wurden der Regierung von Queensland vorgelegt und trugen dazu bei, Maßnahmen zur Ausweitung von Schutzgebieten und zum Erhalt der biologischen Vielfalt zu ergreifen, um Opossums und andere Tierarten zu schützen.

Der Schutz unseres Planeten und seiner Atmosphäre hat höchste Priorität. Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von Satellitenmissionen (unter der Leitung von EUMETSAT, ESA und NASA) gestartet, die der Überwachung und dem Schutz aller Lebensformen auf der Erde sowie der Erforschung von Veränderungen in der Atmosphäre, im Klima und im Ökosystem dienen. Hier ein kurzer Überblick über einige der operativen Missionen: Meteosat, geostationäre Satelliten der zweiten und dritten Generation; die neue Landsat Next-Mission der NASA; Vigil-Missionen der ESA: Beobachtung der Sonne; Copernicus-Mission: von Sentinel-2 zu Sentinel-6; GOCE: Gravimetrie-Mission der ESA; SMOS: ESA-Mission zum Thema Wasser; CryoSat: ESA-Mission zum Thema Eis; Swarm: ESA-Mission zum Thema Magnetfeld; Aeolus: ESA-Mission zum Thema Winde; EarthCARE: ESA-Mission zum Thema Wolken- und Aerosolbeobachtung; Biomass: ESA-Mission zum Thema Wald; FLEX: ESA-Mission zum Thema Photosynthese.

Der wissenschaftliche Ansatz von 3Bee zur Bewertung der Auswirkungen auf die biologische Vielfalt ermöglicht eine vorläufige Bewertung der in dem Gebiet vorhandenen biologischen Vielfalt (Biodiversity Site Assessment). Die Analyse kombiniert Daten der Satelliten Sentinel I und II, Satellitenanalysen und Informationen aus öffentlichen Datenbanken und ermöglicht die Erstellung synthetischer Indikatoren, die den aktuellen Zustand der Biodiversität und die Fähigkeit des Gebiets, Wildbestäuber zu unterstützen, widerspiegeln. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse werden standortspezifische Eingriffe geplant und Strategien zur Regenerierung der biologischen Vielfalt formuliert.