Foto von TechDemoSat-1 flugbereit im Reinraum im März 2013. Bild SSTLFoto von TechDemoSat-1 flugbereit im Reinraum im März 2013. (Bild SSTL)
Nachweis von Regen über dem Ozean durch Navigationssatelliten

Um bei­spiels­wei­se den Kli­ma­wan­del zu ana­ly­sie­ren oder Infor­ma­tio­nen über Natur­ge­fah­ren bereit­zu­stel­len, ist es für For­schen­de wich­tig, Wis­sen über den Regen zu sam­meln. Eine bes­se­re Kennt­nis der Nie­der­schlags­men­ge und ihrer Ver­tei­lung könn­te bei­spiels­wei­se zum Schutz vor Über­schwem­mun­gen durch Flüs­se bei­tra­gen. An Land kön­nen Mess­stel­len Daten lie­fern, indem sie den Nie­der­schlag sam­meln. Auf dem Meer ist das nicht so ein­fach.

Ein neu­er Ansatz eines Teams um Milad Asga­ri­mehr, der in der GFZ-Sek­ti­on für Geo­dä­ti­sche Welt­raum­ver­fah­ren und an der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Ber­lin forscht, gemein­sam mit For­schen­den vom Earth Sys­tem Rese­arch Labo­ra­to­ry des Natio­nal Ocea­nic and Atmo­s­phe­ric Admi­nis­tra­ti­on der USA (NOAA) sowie der Uni­ver­si­tät Pots­dam nutzt Infor­ma­tio­nen, die in Radar­si­gna­len von GNSS-Satel­li­ten (Glo­bal Navi­ga­ti­on Satel­li­te Sys­tem) ent­hal­ten sind, um Regen über dem Meer zu erken­nen. Die Tech­no­lo­gie trägt den Namen GNSS-Reflek­to­me­trie. Sie ist eine inno­va­ti­ve Satel­li­ten-Fern­erkun­dungs­me­tho­de mit einem brei­ten Spek­trum geo­phy­si­ka­li­scher Anwen­dun­gen. Asga­ri­mehr und sei­ne Kol­le­gen haben ihre Ergeb­nis­se nun im Fach­jour­nal Geo­phy­si­cal Rese­arch Let­ters ver­öf­fent­licht.

Nach Ansicht der For­schen­den könn­te der neue Ansatz dazu bei­tra­gen, Nie­der­schlä­ge in der Atmo­sphä­re bes­ser zu über­wa­chen als bis­her. Asga­ri­mehr: „Unse­re For­schung kann als Aus­gangs­punkt für die Ent­wick­lung eines zusätz­li­chen Regen­in­di­ka­tors die­nen. Wir kön­nen damit Nie­der­schlags­in­for­ma­tio­nen mit­tels GNSS-Reflek­to­me­trie mit bis­her uner­reich­ter zeit­li­cher Auf­lö­sung und räum­li­cher Abde­ckung lie­fern.“

GNSS sind ‚All­wet­ter-Navi­ga­ti­ons­sys­te­me‘“, erklärt Asga­ri­mehr. „Eine lan­ge geheg­te Grund­an­nah­me war des­halb, dass ihre Signa­le so ver­fasst sind, dass sie durch Wol­ken oder typi­sche Nie­der­schlä­ge in der Atmo­sphä­re nicht merk­lich abge­schwächt wer­den und Nie­der­schlä­ge des­halb nicht erken­nen kön­nen.“ Die neue Stu­die nutzt einen ande­ren Effekt, um Regen über dem Meer nach­zu­wei-sen: Die Rau­heit der Mee­res­ober­flä­che.

GNSS-Reflektometrie kann Rauheit der Meeresoberfläche messen

Die­se Ober­flä­che ist vor allem des­halb ‚rau‘, weil Win­de auf ihr Wel­len erzeu-gen. Die Stär­ke der an der Ober­flä­che reflek­tier­ten Satel­li­ten­si­gna­le ver­hält sich umge­kehrt pro­por­tio­nal zu ihrer Rau­heit: Je mehr und je stär­ker die Wel­len, des­to schwä­cher ist das reflek­tier­te Signal. Kürz­lich konn­ten For­schen­de nach­wei­sen, dass es mög­lich ist, die Wind­ge­schwin­dig­keit über den Ozea­nen aus Mes­sun­gen der Rau­heit sei­ner Ober­flä­che zu ermit­teln.

Regen­trop­fen, die auf eine Mee­res­ober­flä­che fal­len, ver­än­dern eben­falls deren Rau­heit. Milad Asga­ri­mehr und das Team um ihn stell­ten sich die Fra­ge: „Kann die GNSS-Reflek­to­me­trie Nie­der­schlä­ge über Ozea­nen erken­nen?“ Das ist auch der Titel ihrer jetzt erschie­ne­nen Stu­die.

Lau­tet die Ant­wort ja, könn­ten GNSS-Reflek­to­me­trie-Satel­li­ten Regen fast wie ein Beob­ach­ter erken­nen, der Regen­trop­fen zusieht, wie sie das Spie­gel­bild des Mon­des auf der Ober­flä­che eines Sees bei Nacht stö­ren. Es gibt jedoch einen wesent­li­chen Unter­schied: Anders als das Mond­licht sind die GNSS-Signa­le in der Lage, die Wol­ken zu durch­drin­gen.

Ein neues theoretisches Modell kommt zur Hilfe

Bei der Ana­ly­se von Daten des Navi­ga­ti­ons­sa­tel­li­ten TDS-1 (Tech­De­mo­Sat-1) fand Asga­ri­mehr Hin­wei­se dar­auf, dass Regen über Ozea­nen nach­weis­bar ist, sofern der Wind nicht zu stark weht. Aller­dings fehl­te sei­ner For­schung noch eine theo­re­ti­sche Begrün­dung. „Lan­ge dach­te man, dass sol­che GNSS-Reflek­to­me­trie-Mes­sun­gen unemp­find­lich gegen­über der klein­räu­mi­gen Ober­flä­chen­rau­heit sein müss­ten, die durch Regen­trop­fen auf der Mee­res­ober­flä­che ver­ur­sacht wird“, erklärt Asga­ri­mehr. Doch die Ver­öf­fent­li­chung eines neu­en theo­re­ti­schen Modells im Jahr 2017 lie­fer­te eine plau­si­ble Abschät­zung für die Phy­sik der Streu­ung von Radar­si­gna­len an einer von schwa­chen Win­den ge-stör­ten Mee­res­ober­flä­che.

Milad Asga­ri­mehr sagt: „Die Tech­nik ist noch jung und wir müs­sen unser phy­si­ka­li­sches Ver­ständ­nis, unse­re Model­le und Algo­rith­men wei­ter ver­bes­sern, um tie­fe­re GNSS-basier­te Regen­in­for­ma­tio­nen zu erhal­ten. Aber die Arbeit lohnt sich, wenn wir damit in Zukunft Daten­lü­cken bei der Über­wa­chung von Nie­der­schlä­gen schlie­ßen kön­nen.“