Neuer Satellit soll Daten zu Schadstoffen liefern

Computerbild zeigt den Umweltsatelliten Sentinel-1A in der Erdumlaufbahn

Neuer Satellit soll Daten zu Schadstoffen liefern

Von Andreas Sträter

  • Esa schickt einen weiteren Satelliten ins All
  • "Sentinel 5P" liefert Daten über die Atmosphäre
  • Alle zehn Tage wird die gesamte Welt abgedeckt
  • Daten sind für alle frei verfügbar

Das Jahr 2017 steht bei der europäischen Weltraumagentur Esa im Zeichen der Erdbeobachtung. Am Freitag (13.10.2017) soll "Sentinel 5P" vom Raumflughafen Kosmodrom Plessezk in Nordrussland aus ins All geschossen werden, erläutert Andreas Schepers von der Esa dem WDR.

Der Satellit liefert Daten über die Atmosphäre und kartiert Gase, die Auswirkungen auf unsere Atemluft haben - zum Beispiel Schadstoffe wie Ozon, Stickoxide oder Feinstaub. Auf der Erde werten Wissenschaftler diese Daten aus. Mithilfe der Beobachtung kann dann vor hautschädigender UV-Strahlung oder vor Vulkanasche gewarnt werden.

Was Satellitenbilder verraten

Von Marion Kretz-Mangold

Sie ziehen hoch oben im All ihre Kreise, halten mit Linse und Radar alles fest, was unter ihnen passiert: Satelliten liefern ein ganz neues Bild unserer Erde - mit Aufnahmen, die mal nüchtern, mal dramatisch oder einfach nur wunderschön sind.

Aufnahme der südpazifischen Insel Kiritimati

Bedrohtes Paradies: Wenn die Berechnungen der Klimaforscher stimmen, wird Kiritimati spätestens 2070 im Südpazifik versunken - und dieses Satellitenbild nur noch ein Dokument vergangener Schönheit sein. Aufgenommen wurde es von TerraSAR-X, einem Radarsatelliten des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR), der mit seinem Zwilling TanDEM-X in 514 Kilometer Höhe um die Erde kreist. Das sind zwei von hunderten Satelliten, die mit Kamera oder Radar in den Himmel geschickt wurden, damit der Mensch sich ein Bild von seinem Planeten machen kann.

Bedrohtes Paradies: Wenn die Berechnungen der Klimaforscher stimmen, wird Kiritimati spätestens 2070 im Südpazifik versunken - und dieses Satellitenbild nur noch ein Dokument vergangener Schönheit sein. Aufgenommen wurde es von TerraSAR-X, einem Radarsatelliten des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR), der mit seinem Zwilling TanDEM-X in 514 Kilometer Höhe um die Erde kreist. Das sind zwei von hunderten Satelliten, die mit Kamera oder Radar in den Himmel geschickt wurden, damit der Mensch sich ein Bild von seinem Planeten machen kann.

Anfang der 70er Jahre wurden die ersten Satelliten ins All geschickt, die nicht nur das Wetter, sondern auch die Erdoberfläche beobachten sollten. Seitdem dokumentieren sie, wie der Mensch seine Umwelt verändert - manchmal nur in kleinen Schritten, aber mit dramatischen Folgen. Diese Vorher-Nachher-Aufnahmen eines NASA-Satelliten aus den Jahren 2000 und 2014 zeigen die Überreste des Aral-Sees in Zentralasien, früher einer der größten Binnenseen der Welt. Seit Jahrzehnten wird das Wasser aus seinen Zuflüssen für riesige Baumwollplantagen abgezweigt, die Folge: Der See hat 90 Prozent seines Volumens verloren, das Wasser darin ist extrem salzig, die Landschaft ringsum von giftigen Stauben verseucht. Bade- und Hafenstädte, die einst am Ufer des Sees lagen, stehen jetzt in einer Wüste. Ihr Name: Aralkum.

Menschengemacht ist auch das Ozon-Loch über der Antarktis. Erste Aufnahmen der NASA (re.) zeigten schon 1979 die Veränderungen in der Erdatmosphäre, aber erst Jahre später fanden Wissenschaftler die Ursache: Giftige Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), wie sie etwa in Kühlschränken verwendet wurden, zerstörten die schützende Ozonschicht und rissen ein Loch hinein, das von Frühjahr zu Frühjahr immer größer wurde (li. Aufnahme von 2010). Inzwischen schrumpft es wieder - auch, weil FCKW kaum noch verwendet werden dürfen.

Die fröhlichen Farben täuschen: Was der DLR-Radarsatellit TanDEM-X festgehalten hat und von den Experten ausgewertet wurde, zeigt die verheerenden Folgen der Klimaerwärmung. In der Antarktis waren zwischen 1995 und 2002 zwei riesige Eisplatten zerbrochen und zerschmolzen. Sie hatten verhindert, dass der Drygalski-Gletscher dahinter ungehindert in den Ozean abrutschte - jetzt verliert er dramatisch an Substanz. Die Daten lassen ahnen, was passieren könnte, wenn auch andere Schelfeise in der Region abbrechen. Die Gletscher dort sind dreimal so groß wie Deutschland, eine Schneeschmelze könnte den Meeresspiegel um mehrere Meter ansteigen lassen.

Mit "Acqua alta" hat Venedig schon seit Jahrhunderten zu kämpfen. Inzwischen steigt das Wasser der Lagune aber 60 Mal im Jahr, um 1900 gab es nur 10 Hochwasser jährlich. Gründe dafür gibt es viele, der Klimawandel ist vermutlich einer davon. Klar ist, dass sie das Weltkulturerbe massiv bedrohen. Deswegen haben die Venezianer ein aufwändiges Dammprojekt mit dem Namen MOSE gestartet, das die Wasser der Adria zurückhalten soll. In der Aufnahme des NASA-Satelliten Landsat-8, die vor dem ersten Test im September 2013 gemacht wurde, sind die drei Öffnungen der Lagune zu sehen, ganz oben der Lido mit einem vorgelagerten Wellenbrecher.

Der Blick von oben enthüllt, was sonst kaum zu erkennen wäre - so wie die Abholzung großer Waldflächen in Peru. Umweltschützer waren auf die Aufnahmen gestoßen, die Kameras der Landsat 7 und 8 im August 2013 bei ihren Routine-Überflügen gemacht hatten. Der Vergleich mit älteren Fotos der unzugänglichen Region am Amazonas zeigte, dass hier riesige Flächen abgeholzt wurden. Für die Experten ein Warnsignal: Sie vermuten, dass nach Malaysia und Indonesien auch im westlichen Amazonas immer mehr heimische Wälder durch Ölpalmen-Plantagen ersetzt werden sollen. Der Anbau gilt als gewinnbringend - aber auch ökologisch bedenklich.

Big Data: Karten wie diese, die auf Millionen von Fotos aus Landsat-Überflügen basiert, zeigen mehr als eine Momentaufnahme. Experten haben die Bilder, die die NASA-Erdbeobachtungssatelliten zwischen 2000 und 2013 vom Kongo gemacht haben, Pixel für Pixel ausgewertet, um festzustellen, wo noch Bäume stehen - und wo nicht mehr. Gelb sind Bäume markiert, die 2000 nicht mehr zu sehen waren, die lila markierten sind 2013 verschwunden. Ergebnis: Weite Teile des Waldes sind zerstört, und die Menschen müssen immer weiter ziehen, wenn sie Land oder Holz zum Kochen gewinnen wollen.

Wüstensand, Pollen, Feinstaub und Vulkanasche: Viele Aerosole wirbeln durch die Erdatmosphäre, gefährden die Gesundheit und verstärken den Klimaeffekt. Diese Karte zeigt die Verteilung solcher Aerosole an einem Mai-Tag. Die Daten hat MODIS geliefert, eine Spezialkamera auf den beiden NASA-Forschungssatelliten Terra und Aqua. Dabei hat sie gemessen, wie stark das Sonnenlicht von den Partikelchen in der Atmosphäre unter den Satelliten zurückgeworfen wurde. Orange sind die Regionen mit einer starken Dichte, schwarz die Gebiete, wo keine Aufnahmen gemacht werden konnten. Allerdings geben sie nicht nur die Messungen in Bodennähe wieder. Deswegen greift das Bundesumweltamt auch auf andere Daten zurück, wenn es zum Beispiel um die Folgen von Waldbränden in Russland oder den Saharastaub auf den Autos geht.

Wolkenatlas: Dieselbe Kamera hat zwischen 2002 und 2015 Tausende von Aufnahmen gemacht, die Wissenschaftler zu einer Karte verarbeitet haben. Sie zeigt, wie wolkig der Himmel über der Erde tatsächlich ist. Sie zeigt auch, wo sich die meisten Wolken ballen: Am Äquator, in den mittleren Breiten und an der Westseite der Kontinente - eine Folge der Erdrotation. Die schiebt das warme Meerwasser an der Oberfläche weg, kaltes kann von unten nachfließen, die Meeresoberfläche wieder abkühlen und so neue Wolken entstehen lassen. Ein Blick von oben mit Aha-Effekt.

Keine moderne Kunst, sondern eine bearbeitete Satellitenaufnahme von Berlin - eine große, kompakte Stadt, die die Region beherrscht. Für das DLR-Projekt "Global Urban Footprint" haben Wissenschaftler die Besiedlung der Erde untersucht. Grundlage waren die Daten, die TerraSAR-X und TanDEM-X bei ihrem zweijährigen Flug über die gesamte Erdoberfläche gesammelt haben und die in ein dreidimensionales Höhenmodell gegossen werden sollen. Eine Erkenntnis: Die Erde ist viel stärker besiedelt, als bisher angenommen wurde, mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung lebt in Städten. Das hat Folgen für das Klima, die Ernährungspolitik und das Ökosystem, die neu bewertet werden müssen.

Noch einmal Berlin: Der Hauptbahnhof und seine Umgebung erscheinen hier als bunte Punktewolke. Blau bis grün stellt eine geringe Bewegung, orange bis rot eine stärkere Bewegung dar. So zeigte sich auch, dass sich die Stahlkonstruktion des Bahnhofs durch die Temperatureinflüsse innerhalb eines Jahres in der Vertikalen um vier Zentimeter, in der Horizontalen um zwei Zentimeter bewegt.

Geballte Leuchtkraft: Dieses Bild bietet sich den Astronauten der ISS, wenn sie nachts über Europa hinwegfliegen. Ein etwas ungewohnter Blickwinkel - London ist links unten zu sehen, darüber der Ärmelkanal und Paris (rechts) und Brüssel (links daneben). Ein beeindruckender Beleg für die These von der Verstädterung der Welt ist die Aufnahme aus dem bemannten Satelliten aber auf jeden Fall - und einfach schön anzusehen.

Eine ganz eigene Ästethik hat auch diese Aufnahme von Istanbul, die der Radarsatellit TerraSAR-X gemacht hat. Was wie schwerer, gemusterter Brokat wirkt, sind die bebauten (gelb) und unbebauten (blau) Landflächen der Megastadt, in der schätzungsweise 15 Millionen Menschen wohnen. Innerhalb von drei Jahrzehnten ist sie um das Dreifache angeschwollen, vor allem auf der rechten, asiatischen Seite, die nach dem Bau der Bosporus-Brücken leichter zu erreichen ist. Gut zu erkennen: der Flughafen unten links, der Topkapi-Palast an der Spitze des kaum bebauten Goldenen Horns - und die vielen Schiffe, die sich an der Küste drängeln.

Weiter hinein in die Türkei: ein Falschfarbenbild von Reisfeldern. Radarsatelliten können die Höhe und somit den Reifegrad der Reispflanze messen. Im Juli sind  die Flächen noch blau, da die Setzlinge noch kaum gewachsen sind …

… im September dagegen, wenn die Ähren zwei Meter hoch stehen, sind die Felder rot dargestellt. Mit Hilfe diesen Daten will man Erträge noch vor der Ernte berechnen und drohende Nahrungsknappheit voraussagen – oder aber Lebensmittelspekulationen betreiben.

Gläser klirrten, der Boden schwankte: Im Januar 2011 grummelte es gewaltig auf Santorini. Eigentlich nichts Neues: Vor 3.600 Jahren hatte ein verheerender Vulkanausbruch weite Teile der griechischen Insel in die Luft gejagt. Seitdem lebten die Einwohner mit dem ruhenden Riesen, beobachteten, wie aus der Mitte des Ozeans Magma emporstieg und neue Inselchen bildete. Aber diesmal konnten die Wissenschaftler, die sich in der Vergangenheit des Vulkans schon bestens auskannten, sozusagen "live" dabei sein, wie er sich veränderte. Deswegen ließen sie die Insel vom All aus beobachten. Ergebnis: Mit jedem Überflug der TerraSAR-X hatte sich die Insel weiter gehoben und ausgedehnt, besonders gut zu erkennen an den rot gefärbten Flächen. Offensichtlich hat sich die Magmakammer tief unter der Oberfläche innerhalb weniger Monate so schnell gefüllt wie sonst in zehn oder zwanzig Jahren. Ein Ausbruch sei trotzdem nicht zu erwarten, beruhigten die Experten.

Im April 2015 verwüstete ein Erdbeben Nepal, tötete Tausende, verwüstete die Hauptstadt Kathmandu und weite Teile der Bergregionen. Mit dem nüchternen Blick der Wissenschaftler haben Experten des DLR die Daten ausgewertet, die der ESA-Satellit Sentinel 1 kurz vor und nach dem Beben zur Erde schickte. Die Grafik, die dabei entstand, zeigt, welche Wucht es entfaltete: Es ließ ganze Regionen abstürzen, andere hoben sich um fast zweieinhalb Meter.

Wie kommen diese Ergebnisse zustande? Vor und nach dem Erdbeben nahm der Satellit Sentinel-1 Radarbilder von der Region aus. Legen Forscher beide Bilder übereinander, entsteht ein sogenanntes Interferogramm. Jede Farblinie ist eine Bodenbewegung von einigen Zentimetern. Je dichter die Linien, umso stärker die Bewegung der Erde. Die Hauptstadt von Nepal ist um ganze zwei Meter nach Norden verschoben worden.

Satellitenaufnahmen werden auch verwendet, um Soforthilfe zu organisieren. Vorher-Nachher-Aufnahmen des Katastrophengebietes geben Hinweise, wo vielleicht Menschen unter zerstörten Gebäuden verschüttet wurden oder Berge ins Rutschen gerieten - wie hier in der Region rund um Langtang im Norden von Nepal. Die Zentrale für satellitengestützte Kriseninformation beim DLR, kurz ZKI, griff dabei auf Informationen zurück, die Sentinel 1 und TerraSAR-X lieferten. Sentinel, zu deutsch "Wächter", soll im Rahmen des Copernicus-Programms die Erde beobachten und ist der einzige europäische Satellit, der auf die Unterstützung bei Naturkatastrophen ausgerichtet ist.

Erste Orientierungshilfe von oben gab es auch im Sommer 2013, als weite Teile Deutschlands überflutet wurden. Welche Straßen stehen unter Wasser, welche Häuser müssen geräumt werden? In dieser TerraSar-X-Aufnahme von Passau, am Zusammenfluss von Donau, Inn und Ilz, haben die Experten die kritischen Stellen deutlich markiert - und Kliniken, Polizeistationen und Schulen gleich mit.

Am 20. April 2010 explodierte die Ölplattform Deepwater Horizon im Golf von Mexiko. Über 800 Millionen Liter Öl strömten ins Meer und auch in das einzigartige Küstengebiet des Mississippi-Deltas. Auf einem Falschfarbenbild des Deltas leuchtet die grüne, üppige Vegetation des Marschlandes rot, während sich Öl auf dem Meer als silberne Streifen abzeichnet.

Bei den Kämpfen zwischen IS-Miliz und Assads Armee in Syrien wurde die Altstadt von Aleppo in Schutt und Asche gelegt. Diese Satellitenaufnahme vom Oktober 2014, die das ganze Ausmaß der Verwüstung zeigt, wurde von der UNO veröffentlicht - eine Hilferuf an die Weltöffentlichkeit, deren kulturelles Erbe in Gefahr ist. Denn nicht nur die Welterbe-Stadt Aleppo ist in Mitleidenschaft gezogen, auch Hatra, Palmyra und die Kreuzritterburg Krak sind bedroht oder schon vernichtet, durch mutwillige Beschädigung durch die IS oder eben in den Kämpfen, die seit Jahren andauern. Fast 300 Kultur- und Ausgrabungsstätten allein in Syrien seien betroffen, so die UNO.

Bäume, Häuser, Straßen: Auf den Orginalaufnahmen wirkten die nigerianischen Siedlungen Doro Baga und Baga ganz friedlich. Erst die Färbung, der Vergleich mit älteren Bildern und der genaue Blick der Experten zeigten, dass sie in weiten Teilen zerstört worden waren - offensichtlich von der islamistischen Terrorgruppe Boko Haram. Die Aufnahmen eines kommerziellen Anbieters waren von Amnesty International im Januar 2015 ausgewertet und veröffentlicht worden. Wie viele Menschen bei den viertägigen Angriffen umkamen, ist unklar. Mehr als 11.000 Menschen sind wohl über die Grenzen geflohen, schätzt die UNO. Vermutlich haben sie dafür die Fischerboote am Tschad-See benutzt: Auch die sind auf den jüngeren Satellitenaufnahmen nicht mehr zu sehen.

Kampf um die Wahrheit: Kurz nach dem Absturz des Linienflugzeugs MH 17 im Sommer 2014 veröffentlichte das russische Verteidigungsministerium mehrere Satellitenaufnahmen. Sie legten nahe, dass es die Ukrainer selbst waren, die die Maschine mit fast 300 Menschen an Bord über der Ost-Ukraine zum Absturz brachten - und nicht die Separatisten, die von Russland unterstützt werden. Ein Jahr später wollten die Rechercheure von "Bellingcat" den Nachweis führen, dass die Aufnahmen plump gefälscht waren. Sie analysierten die Fotos mit den Bildern der ukrainischen BUK-Batterie (Feld A), untersuchten Wolkenformationen und Bodenstrukturen, Ergebnis: Viele Elemente seien schon auf Aufnahmen vor dem Absturz zu sehen, die russischen Beweis-Bilder offensichtlich manipuliert. Das sorgte für viele Schlagzeilen, bis immer mehr Bildforensiker wiederum die Analysemethoden kritisierten. Bellingcat legte inzwischen aber neue Bilder nach.

Ganz praktisch ist der Nutzen, den die zivile Luftfahrt aus Satellitenaufnahmen ziehen kann. Normalerweise verschwinden Flugzeuge oft stundenlang vom Radarschirm, weil die Flugsicherung nur über Europa und den USA lückenlos funktioniert - und über den Ozeanen gar nicht. Jetzt könnte der ESA-Minisatellit Proba-V die Lücke schließen. Der soll eigentlich das weltweite Pflanzenwachstum beobachten, kann aber auch Signale von Flugzeugen empfangen. Im Mai 2013 gelang es der ESA zum ersten Mal, einen schottischen Airbus aus 820 Kilometer Höhe zu verfolgen. Inzwischen lassen sich immer mehr Flugbewegungen nachvollziehen, wie die Karte zeigt. Und auch Schiffe, die auf den Weltmeeren unterwegs sind, sollen per Satellit geortet werden.

Der "Blick" der Satelliten macht auch nicht vor der Erdoberfläche halt - oder, wie hier, vor der Schneedecke des Mittelferner-Gletschers in den österreichischen Alpen. Das 3-D-Modell zeigt Risse und Spalten im Eis und den Erdboden darunter, der bisher gut verborgen war. Die Tomografie-Aufnahmen vom März 2014 waren eine Art Vorabtest für ein Projekt, das die ESA mit Italien und Argentinien starten will. Dabei sollen zwei neue Radarsatelliten die Gletscher und Eiskappen in Grönland und der Antarktis abscannen - im Tandem, um genauere Ergebnisse zu ermöglichen.

Ein Anblick, der nur von ganz oben zu genießen ist: Die Palmeninsel an der Küste Dubais ist so groß, dass allein der "Stamm" über vier Kilometer lang ist. Das Projekt "The Palm Islands" wurde konzipiert, um möglichst viele Touristen in möglichst vielen Hotels, Villen und Feriensiedlungen unterzubringen. Dafür wurden Millionen von Tonnen Sand verschoben und Milliarden von Dollar ausgegeben. Allerdings wurde bisher nur diese eine Palmeninsel eröffnet - mehrere andere, zum Teil noch größere Inseln blieben unvollendet, weil den Investoren das Geld ausging. Dass sie inzwischen allesamt wieder versinken, wird heftig bestritten. Aber auch das wäre aus dem All gut zu erkennen.

700 bis 800 Kilometer über unseren Köpfen

Solche Satelliten decken jeden Tag die gesamte Erde ab, erklärt Robert Meisner, Sprecher des Esa-Erdbeobachtungsprogramms im italienischen Frascati. Die anderen Sentinel-Satelliten liefern Daten über unsere Wälder und Meere. Sie fliegen in etwa 700 bis 800 Kilometern Entfernung über unsere Köpfe hinweg, um die Erde von oben zu beobachten.

Daten aus unzugänglichen Ecken

Sanddünen der Rub al-Khali-Wüste auf der Arabischen Halbinsel

Sentinel 2A-Aufnahme der Rub al-Khali-Wüste auf der Arabischen Halbinsel

Der bereits im März ins Weltall geschossene Satellit "Sentinel 2B" liefert Daten über unzugängliche Gebiete, etwa zu großen Nadelwäldern, Feuchtgebieten, Wüsten oder riesigen landwirtschaftlich genutzten Flächen. Ziel der Beobachtung aus dem Orbit sei es, Veränderungen auf der Erde zu erkennen, sagt Meisner. "So lassen sich die Bilder zum Beispiel für Erntevorhersagen nutzen", erläutert Meisner.

Landwirte können Dünger und Wasser besser anpassen

"Die Daten können Unterschiede innerhalb großer Felder aufzeigen, sie liefern Anhaltspunkte über den Nährstoffgehalt oder Wassergehalt im Boden." Landwirte könnten auf dieser Grundlage ihre Düngermenge und die Bewässerung gezielter anpassen.

Spezialkameras für Pflanzen

Die Kameras in dem Satelliten sind spezialisiert auf Natur-Aufnahmen, insbesondere von Pflanzen. Einige Licht-Kanäle können das grüne Chlorophyll der Pflanzen besonders gut reflektieren. Das lässt exakte Aussagen über den Vegetationszustand zu.

Satelliten erkennen großflächige Abholzungen

Tonga

Landwirtschaftliche Strukturen prägen den Inselstaat Tonga in Polynesien

Gerade die Landwirtschaft könnte davon profitieren, dass es bald mehr verfügbare Daten dieser Art geben wird, die schnelle Veränderungen dokumentieren. Weniger schnell vollzieht sich der Wandel in Wäldern. Sollte es aber zum Beispiel in unzugänglichen Waldregionen ein gravierendes Baumsterben oder Abholzungen geben, kann sofort eingegriffen werden.

Zwei weitere Satelliten-Starts in 2017 geplant

  • "Sentinel 3B" liefert Daten über die Bewegungen der Ozeane. Über die Daten lassen sich Aussagen zur Verschmutzung der Meere oder über die Chrolophyllverteilung machen.
  • "Aeolus" wird gegen Ende des Jahres in die Umlaufbahn gebracht und wird als wissenschaftlicher Satellit erstmals Daten über die Verteilung der Winde liefern.

EU-Programm "Copernicus"

Alle "Sentinel"-Satelliten gehören zum EU-Programm "Copernicus". "In dem Moment, in dem wir die Satelliten abschießen, gehören sie der Europäischen Kommission", sagt Meisner und ergänzt: "Formal gehören auch die Daten der EU, sie sind aber für alle frei verfügbar."

Stand: 13.10.2017, 06:00