Satellitendaten und -bilder für Umwelt- und Naturschutz

Der Mensch verändert die Erde in dramatischem Ausmaß, ob in Wüsten- oder in Polarregionen, in den Meeren oder in Waldgebieten. Welche Folgen dies hat und welche Maßnahmen nötig sind, um Umwelt und Klima zu schützen, ist Gegenstand der Umweltpolitik. Gesellschaft und Politik benötigen belastbare Informationen über den Zustand unseres Planeten, um angemessen handeln zu können. 

Die Erdbeobachtung aus dem All mithilfe von Satelliten leistet hierfür einen wesentlichen Beitrag. Ein zentraler Anwendungsbereich ist die Forschung zum Klimawandel (siehe auch Thema der Woche: Klimawandel: Was wir wissen). 

Seit den 1950er-Jahren wurden hunderte Satelliten in die Erdumlaufbahn gebracht, um von dort aus Daten über den Planeten zu sammeln. Neben Russland, der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und der europäischen Raumfahrtagentur ESA betreiben weitere Länder Raumfahrtprogramme und Erdbeobachtungssatelliten, darunter Indien und China .

Was wir aus dem Weltall über die Erde lernen können

Ohne Hilfsmittel können Menschen nur einen kleinen Ausschnitt ihrer Umwelt wahrnehmen. Dass sie die Erde aus großer Höhe betrachten und sogar den gesamten Planeten aus dem Weltall untersuchen können, ist eine vergleichsweise neue Möglichkeit, wenn man die Geschichte der Wissenschaft betrachtet. Diese Art der Informationsgewinnung wird auch "Fernerkundung" genannt. 

Erst im Jahr 1957 gelang es, den ersten Satelliten ins All zu schicken – der Satellit "Sputnik 1" der Sowjetunion. Außer einem Testsignal schickte Sputnik jedoch keine Daten zur Erde. Das erste Foto der Erde aus dem All machte 1959 der US-amerikanische Satellit Explorer 6, im April 1960 startete der erste Wettersatellit Tiros 1. 

Im Jahr 1964 brachte die NASA den ersten von mehreren Erdbeobachtungssatelliten ins All, die Mission wurde "Nimbus" genannt. Diese Satelliten ermöglichten eine Revolution in der Wetterbeobachtung und halfen, die Erde zu vermessen – unter anderem die Meere und die Ozonschicht. Seit Ende der 1970-er Jahre sind auch europäische Wettersatelliten in Betrieb, die Meteosat-Satelliten der Europäischen Wetteragentur. Ende der 1970-er Jahre begannen auch zudem Vorbereitungen für den ersten europäischen Erdbeobachtungssatelliten ERS-1. Er wurde 1991 in die Erdumlaufbahn gebracht. Sein Nachfolger war der bisher größte und teuerste Umweltsatellit ENVISAT, der 2002 in Betrieb ging. Seine wichtigsten Aufgaben waren die Überwachung des Klimas, des Ozeans, der Landfläche beziehungsweise des Ökosystems der Erde. Der Satellit wurde vom Europäischen Satellitenkontrollzentrum in Darmstadt gesteuert. Außer Betrieb ging er 2012.

Im Weltall sind Satelliten in einer einzigartigen Position, um Daten über die Erde zu liefern, die ohne sie kaum verfügbar wären. Dazu gehören vor allem Informationen über die Atmosphäre , die Landoberfläche und ihre Veränderungen – auch in schwer zugänglichen Gebieten – sowie die Meeresumwelt, zum Beispiel die Temperatur des Meerwassers an der Oberfläche, dessen Salzgehalt, Strömungen und die Höhe des Meeresspiegels.

Die Informationen und Bilder aus dem All haben in den vergangenen Jahrzehnten entscheidend dazu beigetragen, das Verständnis über viele natürliche Abläufe und Zusammenhänge auf unserem Planeten weiterzuentwickeln. Ein Beispiel ist das Klimasystem.

Die Menschheit lernt, den Planeten als Ganzes zu betrachten

Der Blick auf die Erde aus dem All hat auch zu einem Bewusstseinswandel beigetragen. Insbesondere einige Fotos des Planeten sind berühmt geworden. Dazu gehört ein Bild der Erde vom Mond aus gesehen, das die Astronauten der ersten bemannten Apollo-Mission im Jahr 1968 aufgenommen haben. "Wir sind so weit gereist, um den Mond zu erforschen, und das Wichtigste dabei ist, dass wir die Erde entdeckt haben", so der Astronaut William Sanders über sein Foto. 

Den Astronauten der Apollo 17-Mission gelang 1972 ein weiteres berühmtes Foto, das als "Blue Marble" bekannt wurde. Es war das erste klare Foto, das den gesamten Planeten zeigt.

Zahlreiche weitere Astronauten haben beschrieben, wie ihre Reise ins All ihr Bewusstsein für den Planeten verändert hat. "Nachdem ich aus dem All auf die Erde zurückgeblickt habe, habe ich gesehen, wie verletzlich unser Heimatplanet ist – und ich fühle mich verpflichtet, alles zu tun was ich kann, um ihn zu schützen", so der ehemalige NASA-Chef Charles Bolden. Der deutsche Astronaut Thomas Reiter beschreibt, dass ihn beim Blick aus dem All neben der Schönheit der Kontinente die Spuren der Umweltzerstörung beeindruckt hätten. Er ist überzeugt: „Unsere Probleme hier unten können wir nur gemeinsam lösen“. Reiter verbrachte insgesamt 350 Tage im All und ist damit der erfahrenste europäische Astronaut. Dem dreimaligen Weltraumreisenden Ulf Merbold wird das Zitat zugesprochen "Wir sitzen alle auf einer Kugel, und von der kann keiner runterspringen". Merbold war nach Sigmund Jähn aus der DDR der zweite Deutsche im Weltall. Er flog als erster Nicht-Amerikaner im Space Shuttle und war der erste ESA-Astronaut auf der russischen Raumstation MIR. 

Auch heute sorgen Satellitenbilder immer wieder für Aufsehen, aus denen hervorgeht, wie sehr der Mensch die Erde verändert und Schäden anrichtet. Beispiele sind der Rückgang von Gletschern oder Rodungen in tropischen Regenwäldern.

Wie funktioniert die Erdbeobachtung aus dem Weltall?

Satelliten sind Geräte, die mithilfe von Trägerraketen ins Weltall gebracht werden. Im Gegensatz zu sogenannten Raumsonden fliegen sie nicht tiefer ins Weltall, sondern umkreisen die Erde. Erdbeobachtungssatelliten sammeln mit verschiedenen Messeinrichtungen Informationen über die Erde und senden diese per Funk zurück an Kontrollzentren auf der Erde. 

Neben Erdbeobachtungssatelliten gibt es auch Satelliten, die Daten über das Weltall liefern, Kommunikationssatelliten, die zum Beispiel Fernsehprogramme übertragen, Navigationssatelliten, die bei der Positionsbestimmung und Fahrzeugsteuerung auf der Erde helfen sowie militärische Satelliten. Deren Funktionen sind in der Regel geheim. 

Satelliten können in verschiedene Positionen und Umlaufbahnen gebracht werden. Davon hängt ab, über welche Regionen der Erde sie Daten liefern können. 

Sogenannte geostationäre Satelliten befinden sich in sehr großer Höhe – rund 36.000 Kilometer – über dem Äquator. Von der Erde aus gesehen scheinen sie fest am Himmel zu stehen. Sie können stets ungefähr ein Drittel der Erdoberfläche abdecken. Daher reichen drei bis vier geostationäre Satelliten, um die gesamte Erde „im Blick“ zu behalten, mit Ausnahme der Polregionen. 

Viele weitere Satelliten befinden sich in einer erdnahen Umlaufbahn. In einer Höhe von 200 bis 2.000 Kilometern kreisen sie um die Erde. Für eine Erdumkreisung benötigen sie etwa 90 Minuten , Deutschland überfliegen sie in rund einer Minute. Wegen ihrer Nähe zur Erde können sie Daten in einer wesentlich besseren Auflösung erfassen als geostationäre Satelliten. 

Aus 800 Kilometer Höhe können mit heutiger Beobachtungs- und Auswertetechnik Gegenstände erkannt werden, die weniger als einen Meter groß sind.

Aber Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn können nur ein kleineres Gebiet abdecken. Um die gesamte Erdoberfläche zu erfassen, sind viele Überflüge und meist mehrere Satelliten nötig. 

Neben Fotos liefern Satelliten Daten, die in der Regel mithilfe von Computern ausgewertet werden müssen. Dazu gehören Strahlungs- und Lasermessungen sowie Radardaten. 

Radargeräte – sogenannte Emitter – senden elektromagnetische Strahlen zur Erdoberfläche und werten die reflektierten Strahlen aus. Auf diese Weise können Oberflächenstrukturen abgetastet werden. Radar kann zum Beispiel Meereswellen erkennen – oder Ölverschmutzungen an der Meeresoberfläche – sowie die Beschaffenheit der Landbedeckung, bis hin zur Art der Vegetation. Auch Höhenmessungen mittels Radar sind möglich. 

Die Strahlung, die von der Erde und der Atmosphäre ausgeht, liefert unter anderem Daten, die Rückschlüsse auf das Klima und seine Entwicklung zulassen. Satelliten messen verschiedene Frequenzen der Strahlung. Daraus lassen sich zum Beispiel Größen berechnen wie die Temperatur an der Erd- und der Meeresoberfläche sowie die vertikale Temperaturen in verschiedenen Höhen in bodennahen Luftschichten, der Luftdruck und die Luftfeuchtigkeit. Aus der Bewegung von Wolken können Windgeschwindigkeiten in höheren Luftschichten bestimmt werden. 

Von Satelliten aus werden auch Laser eingesetzt. Sie ermöglichen hochpräzise Entfernungsmessungen, die zum Beispiel dazu dienen, das Schwerefeld der Erde zu erforschen . Aus den daraus gewonnenen Daten lassen sich zum Beispiel Eismassen auf der Erde bestimmen – beziehungsweise der Verlust von Eismassen. Damit leisten die Messungen einen wichtigen Beitrag zur Erforschung der Folgen des Klimawandels.

Auch Navigationssatelliten helfen bei Aufgaben im Umwelt- und Naturschutz. Sie ermöglichen zum Beispiel die Beobachtung von Wanderungsbewegungen gefährdeter Tierarten oder der Zugvögel. Die Tiere werden mit Sendern versehen, die mithilfe der GPS-Satelliten die Positionen der Tiere übertragen. 

Was kann die Erdbeobachtung zum Umwelt- und Klimaschutz beitragen?

Insgesamt ermöglicht die Erdbeobachtung per Satellit eine große Bandbreite von Anwendungen, darunter viele im Bereich des Umwelt- und Klimaschutzes. Die Anwendungsbereiche umfassen unter anderem:

• Die Überwachung der Erdatmosphäre – von Temperaturen über Wolkenbewegungen bis hin zur Zusammensetzung der Luft und deren Gehalt an Treibhausgasen und Luftschadstoffen,
• Informationen über Böden und den Zustand von Feldfrüchten für die Landwirtschaft (als Grundlage für präzise Landwirtschaft – Precision Farming),
• Beobachtung des Zustands der Wälder,
• Beobachtung der Veränderungen von Tier- und Pflanzenpopulationen, Ökosystemen und geschützten Biotopen,
• Ermittlung von Daten für die Nutzung erneuerbarer Energien wie räumlich und zeitlich aufgelöste Daten zu Windgeschwindigkeiten und Sonnenstrahlung an bestimmten Orten und im zeitlichen Verlauf. 

Ergebnisse aus all diesen Anwendungsbereichen dienen auch dazu, das Erreichen der UN-Nachhaltigkeits- und Klimaziele zu überwachen. Hinzu kommen überdies Beobachtungsdaten für Zwecke der Katastrophenhilfe und des Krisenmanagements, zum Beispiel bei Überflutungen. 

Weil Erdbeobachtungsdaten für Politik und Wirtschaft so große Bedeutung haben, hat die Europäische Union das Copernicus-Programm gestartet, zu dem eine ganze Familie von Satelliten gehört. Es soll Informationen zu Umwelt- und Sicherheitsfragen liefern. Die Bundesregierung bezeichnet Copernicus als "Werkzeug", um verschiedene Herausforderungen anzugehen wie den Klimawandel, die Folgen von Naturkatastrophen, den Erhalt der Artenvielfalt, den Verkehr oder die Urbanisierung.

Im Sommer 2017 hat die Bundesregierung eigens eine Copernicus-Strategie verabschiedet. Demnach sollen sich in Zukunft zahlreiche Anwendungen der Umweltverwaltung auf die Daten aus dem Programm stützen.

Die Satelliten des Copernicus-Programms heißen "Sentinel"-Satelliten. Das englische Wort "Sentinel" bedeutet "Wächter" – das beschreibt die Rolle der Satelliten, die über den Zustand der Erde "wachen" sollen. Zurzeit sind die Satelliten der Missionen 1 bis 3 in Betrieb (Stand Mai 2018). Die ersten Satelliten, Sentinel-1A und Sentinel-1B, liefern Radarbilder der Landflächen und Ozeane. Sie wurden in den Jahren 2014 und 2016 ins All gebracht. Die Satelliten der Sentinel 2-Mission liefern optische Daten. Die Sentinel 3-Mission dient vornehmlich der Beobachtung der Ozeane.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Sentinel-Satelliten sind vielfältig. Beispielsweise kommen die Bilder der Sentinel 2-Mission zum Einsatz, um die Entwicklung von Pinguin-Brutkolonien in der Antarktis zu beobachten. Die Sentinel 3-Satelliten erfassen die Farbe des Meeres, was Rückschlüsse auf die Sättigung mit Sauerstoff oder auf die Biomasse im Wasser zulässt. 

Die Europäische Umweltagentur verwendet Daten aus dem Copernicus-Projekt beispielsweise um den Zustand und die Entwicklung von Natura 2000-Gebieten zu bewerten. Auch Gewässerverschmutzungen und die Luftqualität werden überwacht – zum Beispiel mit Daten zu Stickoxiden und Feinstaub. Zudem werden viele Forschungsprojekte zu neuen Anwendungsmöglichkeiten durchgeführt, unter anderem im Bereich der Landwirtschaft. Ein Einsatzbereich ist die Einschätzung von Ernteerträgen.

Viele Daten aus dem Copernicus-Projekt stehen auch der Wirtschaft zur Verfügung. So besteht die Möglichkeit, auf deren Grundlage neue Anwendungen und Geschäftsmodelle zu entwickeln. So ging aus einem Innovationswettbewerb 2013 ein Vorhersagedienst für schädliche Algenblüten als Sieger hervor (Harmful Algal Bloom Forecast – HAB Forecast). 

Ein weiteres Projekt, das bei dem Wettbewerb ausgezeichnet wurde, ermöglicht eine effizientere Bewässerung in der Landwirtschaft. Dabei werden Fernerkundungsdaten und Satellitennavigationsdaten mit Messungen von Sensoren auf der Erde verknüpft und ausgewertet. 

Erdbeobachtungsdaten beziehen sich auf geographische Räume – zum Beispiel die Temperatur an einem bestimmten Ort. Daten mit räumlichem Bezug werden Geoinformationen genannt und gelten als wichtiger "Rohstoff" für die Gewinnung von Informationen und die Entwicklung neuer Anwendungen. 

Viele raumbezogene Fragen des Umwelt- und Naturschutzes haben engen Bezug zum Lebensumfeld vieler Menschen. Zum Beispiel: Gibt es genügend Grünflächen in der Stadt? In welchen Zonen kann eine Stadt umwelt- und sozialverträglich wachsen? 

Doch nicht nur für Entscheidungen in der Wirtschaft oder Politik liefern Satelliten Daten. Auf der Grundlage von Copernicus-Informationen sind sogar bereits Apps für den Alltag entstanden. Mit ihnen kann man zum Beispiel die Wetterbedingungen für‘s Surfen oder Baden abfragen – oder ob die Luftqualität in der eigenen Stadt es zulässt, im Freien Sport zu treiben.

Über die Beteiligung an Copernicus hinaus betreibt die Bundesrepublik Deutschland auch ein eigenes Raumfahrtprogramm. Es wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt umgesetzt. Dazu gehört auch eine deutsch-französische Mission. Bei einem Treffen anlässlich der UN-Klimakonferenz (COP 21) in Paris hatten Deutschland und Frankreich die Bedeutung und Rolle der satellitengestützten Erdbeobachtung zur Dokumentation und Erforschung des Klimawandels betont und die Klimamission Merlin (Methane Remote Sensing LIDAR Mission) vorgestellt. Diese soll ab 2020 die Methankonzentration in der Erdatmosphäre mit einer bislang unerreichten Genauigkeit messen. Ein aktives LIDAR (LIght Detection And Ranging)-Instrument, das auch bei Nacht und durch dünne Wolken hindurch messen kann, wird im Auftrag des DLR-Raumfahrtmanagements in Deutschland entwickelt und gebaut. Merlin soll im Jahr 2020 starten und in rund 500 Kilometern Höhe die Erde umkreisen.

Mit dem Einsatz von Satelliten zur Erkundung der Erde vollzog sich innerhalb kurzer Zeiträume eine rasante Entwicklung. Noch vor 200 Jahren reiste der bedeutende deutsche Naturforscher Humboldt über die Kontinente und trug in jahrzehntelanger, akribischer Kleinarbeit Informationen über die Umwelt zusammen. Heute überfliegen Satelliten in wenigen Stunden die gesamte Oberfläche unseres Planeten und liefern umfassende Daten, die aus vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken sind. 

Weiterführende Links

Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum: Erdbeobachtung - Unseren Planeten erkunden, vermessen und verstehen
http://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-4808/7972_read-37422/ 

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt: Copernicus – Beispiele und Anwendungen 
http://www.d-copernicus.de/daten/beispiele-und-anwendungen/

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt: Earth Observation Center
http://www.dlr.de/eoc/ 

Group on Earth Observation Deutschland (D-GEO) 
http://www.d-geo.de/index_ge.htm