Wettersatelliten als Klimawächter

Der große Vorteil der Wettersatelliten ist, dass sie auch Daten von Gebieten liefern, in denen keine oder kaum Messstationen existieren, wie den Ozeanen oder Wüstenregionen. Wettersatelliten bilden damit nicht nur eine wichtige Grundlage für den täglichen Wetterbericht. Dank ihrer lückenlosen Datenreihen ermöglichen sie einen globalen Blick auf den Zustand der Erdatmosphäre und den schleichenden Klimawandel.

Das rastlose Luftmeer

Das Wettergeschehen spielt sich in der bis zu 15 Kilometer „mächtigen“ Troposphäre ab, dem untersten Stockwerk der Erdatmosphäre. Verglichen mit dem Erdradius ist die Troposphäre winzig klein – gerade einmal zwei Tausendstel stark – aber sie enthält 90 Prozent der atmosphärischen Gase. Hier vollzieht sich der Wärmeaustausch zwischen Tropen und Polarregionen sowie Land- und Meeresoberflächen. Das Ergebnis dieses nie endenden Energieausgleichs ist ein rastloses Luftmeer. Winde, Niederschläge, Wolken, Hoch- und Tiefdruckgebiete sind die „Werkzeuge“ der atmosphärischen Zirkulation, die die von der Sonne eingebrachte Wärmeenergie umverteilen und damit zu den Erscheinungen führen, die wir gemeinhin als „Wetter“ hautnah wahrnehmen.

Neben der Erfassung von Wetterdaten verzeichnen Satelliten seit mehreren Jahrzehnten eine stete Zunahme klimawirksamer Spurengase in der Atmosphäre. Das Fatale daran ist: Die Prozesse vollziehen sich schleichend. Alle in die Atmosphäre eingegebenen Stoffe kommen irgendwann und irgendwo einmal zum Tragen. Aber wann, wo, mit welcher Intensität und mit welchen Folgen das geschieht, das ist aufgrund der Kompliziertheit und Komplexität von Klimaprozessen schwer erkennbar. Und aufgrund der Rückkopplungen auch kaum vorhersehbar.

Meteosat: Europas Wettersatelliten im geostationären Orbit

Europa verfügt seit 1977 über Wettersatelliten. Sie wurden von der ESA entwickelt und sind unter dem Namen Meteosat im geostationären Orbit in rund 36 000 Kilometern über dem Äquator positioniert. Seit 1986 werden sie durch die Europäische Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten (EUMTETSAT) betrieben.

Der Satellit bewegt sich synchron mit der Erdrotation, sodass er immer ein und denselben Ausschnitt der Erde beobachten kann. Europa ist vom Äquator her gut erfassbar. Auf Grund der Erdkrümmung ist jedoch eine ausreichende Beobachtungsgenauigkeit nur bis zu einer geografischen Breite von etwa 60 Grad Nord/-Süd gewährleistet. Die Arktis und die Antarktis werden durch den schrägen Blickwinkel verzerrt und lassen keine brauchbaren Daten zu.

Von den bislang gestarteten elf Meteosat-Satelliten befinden sich vier im operationellen Betrieb: Meteosat-7 über dem Indischen Ozean, Meteosat-8, -9 sowie -10 über Europa und Afrika. Ein fünfter Satellit ist bereits als Reserve im geostationären Orbit positioniert. Dieser würde bei Ausfall eines Satelliten als Meteosat-11 aktiviert werden und für eine nahtlose Fortsetzung der Wetterdaten sorgen.

Meteosat-7 ist der letzte Vertreter der ersten Generation, alle anderen Wettersatelliten gehören der verbesserten zweiten Generation, „MSG“ (Meteosat Second Generation), an. Diese liefern mit zwei leistungsfähigen Instrumenten namens SEVIRI und GERB die Wetter- und Klimadaten.

Während GERB die für die Klimaforschung wichtige Strahlungsbilanz der Erde untersucht, beobachtet SEVIRI die Erde in zwölf Spektralbändern im sichtbaren und infraroten Bereich und erzeugt Satellitenbilder in Zeitintervallen zwischen fünf und 15 Minuten, aus denen die im Fernsehen bekannten Zeitrafferfilme entstehen. Die Daten eignen sich hervorragend für die Wetterüberwachung von Tiefdruckgebieten, Gewitterfronten oder tropischen Stürmen.

Im infraroten Spektralbereich misst der Satellit die Wärmestrahlung der Erde und der Wolken. Damit lassen sich Temperaturen der Meeresoberflächen und Wolkenoberflächen bestimmen, aus denen man wiederum auf die Höhe der Wolken schließen kann.

Eine große Bedeutung haben die Wasserdampfmessungen der Atmosphäre. Forscher wollen aus diesen Wetterdatenreihen neue Erkenntnisse über die globale Klimaentwicklung gewinnen, denn Wasserdampf spielt dabei eine wichtige Rolle.

MetOp: Europas Wettersatelliten in polarer Umlaufbahn

Eine ideale Ergänzung zu den geostationären Meteosat-Satelliten bilden die in polaren Umlaufbahnen von 800 bis 850 Kilometern Höhe agierenden MetOp-Satelliten (Meteorological Operational Satellite). Sie benötigen für die Erdumrundung nur 100 Minuten. Ihr Vorteil liegt in der globalen Abdeckung einschließlich eines Großteils der – von Meteosat nicht erfassten – Polregionen und der wesentlich besseren räumlichen Auflösung. Ziel ist es, die Daten von Meteosat zu ergänzen um noch zuverlässigere Wettervorhersagen über mindestens fünf Tage zu liefern. Nach 2020 soll dann die Vorhersagegenauigkeit auf bis zu zehn Tage verdoppelt werden.

Die Satelliten verfügen über 13 Instrumente zur Erfassung von Temperatur- und Feuchtigkeitsprofilen der Atmosphäre in hoher Genauigkeit, zur Überwachung der Wolkenhöhe und -dichte, der Windgeschwindigkeit und -richtung über den Meeresoberflächen sowie zur Erfassung von Ozon und anderen Spurengasen. Sie sammeln aber auch Daten von land- und meeresgestützten Wetterstationen ein und können Notrufe an Such- und Rettungsterminals am Boden weiterleiten.

Zur MetOp-Baureihe der ersten Generation gehören drei Satelliten: MetOp-A (2006 – 2012), MetOp-B (2012 – 2018) und MetOp-C (ab 2018). Sie bilden zugleich das Weltraumsegment des EUMETSAT Polar Systems (EPS). Es stellt den europäischen Teil einer Zusammenarbeit mit der amerikanischen Wetterbehörde NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) dar. Die polarumlaufenden NOAA Satelliten haben in den letzten 40 Jahren weltweit, täglich und für jedermann frei und kostenlos zugänglich Wetterdaten geliefert. MetOp ist jetzt Teil der Fortsetzung dieser Erfolgsstory.

Wettersatelliten und das Weltklima

Nach der Erstnutzung der von den Wettersatelliten gewonnenen Informationen für die kurzfristige Wetterprognose stellen die Daten mittel- und langfristig wertvolle Datensätze zur Entwicklung des Klimas dar. Prognosen über die Zukunft des Weltklimas sind äußerst kompliziert. Die Forscher haben längst erkannt, dass es nicht genügt, einzelne Parameter zu erfassen und diese linear hochzurechnen. Vielmehr sind dynamische Modelle notwendig, die mit den neuen Messdaten immer wieder abgeglichen und modifiziert werden. Die großen Unsicherheiten liegen in gekoppelten Ozean-/Atmosphäre-Modellen sowie in den Rückkopplungsmechanismen einzelner Parameter.

Es gibt vom Weltklimarat etwa 50 definierte Variablen, die maßgeblichen Einfluss auf das Klima haben – sogenannte „Essential Climate Variables“. Etwa die Hälfte dieser Variablen lässt sich sinnvoll und zuverlässig nur mit Satelliten erfassen. Hierzu leisten die europäischen Wettersatelliten der Meteosat- und MetOp-Reihe einen wichtigen Beitrag.