4.12.2017

Am 1. Dezember 2017 wurden am Earth Observation Center (EOC) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen die ersten Satellitenaufnahmen von Sentinel-5 Precursor präsentiert. Sie geben einen Vorgeschmack auf den neuen Datenservice. Künftig stehen aktuelle Informationen zu Luftqualität, Ozon und Klimafaktoren zur Verfügung – mit einer weltweiten Abdeckung und einer teils hundertmal höheren Auflösung als bisher. Sentinel-5P ist das jüngste Flottenmitglied des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus: die gewonnenen Atmosphärendaten und Kartenprodukte sind für jedermann frei zugänglich.

"Sentinel-5P eröffnet eine völlig neuartige Beobachtung der Atmosphäre, in einer Auflösung wie wir sie bisher nicht gekannt haben. Mit Sentinel-5P können wir insbesondere unsere Erkenntnisse zur Luftqualität über den großen Städten und ihre Herkunft erweitern und auch Veränderungen, zum Beispiel durch politische Maßnahmen, beobachten", erklärt Prof. Dr. Stefan Dech, Direktor des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums des DLR.

Luftqualität und Gesundheitsvorsorge

Der Wächtersatellit ist mit einem hochsensiblen Spektrometer ausgestattet und erfasst wichtige Spurengase, Aerosole und Wolkeninformationen. Das TROPOMI-Instrument (TROPOspheric Monitoring Instrument) misst den Gehalt von Schwefeldioxid, Ozon, Formaldehyd, Stickstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Methan und Aerosolen sowie Parameter zur Höhe, Verteilung und dem Rückstrahlvermögen von Wolken. Umwelt- und Klimaforscher  können anhand der hochgenauen Daten Simulationsmodelle verbessern und präzisere Vorhersagen treffen.

Die neuen Datenprodukte sind jedoch nicht nur für viele wissenschaftliche Bereiche wertvoll, sondern auch für Unternehmen oder einzelne Bürger. Smartphone-Apps und Internetdienste mit Informationen zur Luftqualität oder Biowetter profitieren künftig von den hochgenauen Daten. Verschiedene Luftschadstoffe beeinträchtigen Risikogruppen wie Asthmatiker, Patienten mit Atemwegserkrankungen oder Herz-Kreislauf-Problemen, Allergiker, ältere Menschen und kleine Kinder. Detaillierte tagesaktuelle Informationen, wie etwa die örtliche Ozonbelastung, können damit wertvolle Hinweise für den Alltag liefern. Die Weltgesundheitsorganisation WHO zählt Luftverschmutzung inzwischen zu den größten Umweltrisiken weltweit.

Die ersten Daten

Statt bisher einem Messpunkt liefert Sentinel-5P nun mehr als 100 Messpunkte pro Flächeneinheit. Das Spektrometer erreicht dabei eine Auflösung von bis zu 3,5 Kilometer mal 7,5 Kilometer. Luftverschmutzungen und deren Quellen lassen sich dadurch sehr genau dokumentieren. Kohlekraftwerke, Raffinerien oder Vulkanausbrüche machen etwa durch erhöhte Schwefeldioxid-Werte auf sich aufmerksam. So zeigt eine der ersten Sentinel-5P Aufnahmen unter anderem auch den jüngsten Vulkanausbruch auf Bali. Die Auswertung der Aerosol- und Spurengasmessungen macht genau sichtbar wie sich die Asche- und Gaswolke über der indonesischen Insel seit dem Ausbruch des Vulkans Gunung Agung am 25. November ausbreitet.

Auch der tägliche Verkehr auf der Straße, auf dem Wasser oder in der Luft hinterlässt in der Atmosphäre Spuren in Form von Stickstoffdioxid, Ozon und anderen Schadstoffen. Mit Sentinel-5P können nun auch kleinere Quellen innerhalb einer Stadt erfasst werden, die die Verkehrs- und Energiemuster von Siedlungen offenbaren. Eine aktuelle Sentinel-5P-Auswertung zeigt hohe Stickstoffdioxid-Belastungen über dem Westen Deutschlands und Norditalien, die vor allem durch Autoabgase und die Verbrennung fossiler Brennstoffe in der Industrie hervorgerufen werden.

Wie die Karten entstehen

Die Algorithmen zur Datenauswertung und die Software zur Erstellung von einigen Atmosphären-Informationen wurden am DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung entwickelt. Denn Sentinel-5P liefert keine fertigen Spurengaskarten, sondern zunächst nur ein Spektrum von Messdaten. Die Rohdaten müssen also durch komplexe mathematisch-physikalische Verfahren nutzbar gemacht werden: Die verschiedenen Parameter werden jeweils aus dem Spektrum extrahiert, nach Bedarf kombiniert und über spezielle Algorithmen abgeleitet – erst dann entsteht das Datenprodukt, wie etwa die Darstellung der Ozonwerte über einem bestimmten Gebiet.

"Die wegen der hohen Auflösung von TROPOMI enorme Datenrate und die hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Atmosphäreninformation stellten unsere Algorithmenentwickler vor große Herausforderungen, obwohl wir auf eine zwanzigjährige Erfahrung auf diesem Gebiet zurückgreifen konnten. Erst modernste Verfahren, zum Beispiel des maschinellen Lernens, haben uns ermöglicht, den Datenstrom von 20 Millionen Messungen pro Tag schritthaltend zu hochqualitativen Informationsprodukten zu verarbeiten", so Prof. Dr. Richard Bamler, Direktor des DLR-Instituts für Methodik der Fernerkundung. Mit dem künftigen Datenservice von Sentinel-5P werden nur drei Stunden nach der Messung insgesamt 13 aktuelle Informationsprodukte zur Verfügung gestellt. Die Mission ist auf eine Laufzeit von mindestens sieben Jahren angelegt – mit stetig neuen globalen Atmosphärendaten.

Für den Empfang, die Prozessierung und die Verteilung der Daten ist das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum (DFD)  des DLR ist zuständig. Das DFD nutzt dazu unter anderem seine Bodenstationen in Inuvik im Norden Kanadas, aber auch Stationen von Technologiepartnern, zum Beispiel in Spitzbergen. Die große Herausforderung bei dieser Mission sind die komplexen, verzweigten Daten- und Informationsflüsse, die zur Erzeugung der Informationsprodukte notwendig sind. Satellitendaten und vielfältige Zusatzinformationen laufen in Oberpfaffenhofen zusammen. Hier sorgt das vom DFD konzipierte Datenmanagement- und Prozessierungssystem dafür, dass die ineinander verwobenen Verarbeitungsschritte reibungslos ablaufen und die Informationsprodukte kontinuierlich ausgeliefert werden.

Langzeit-Datenschatz

Neben ihrer hochaktuellen Verfügbarkeit sind die Atmosphärendaten insbesondere für die Langzeitbeobachtung von unschätzbarem Wert. Sentinel-5P stellt die kontinuierliche Beobachtung bestimmter Spurengase sicher. So bieten die Daten auch die Möglichkeit Veränderungsprozesse zu erkennen und zu verstehen. Erst der Blick auf jahrzehntelange Datenreihen macht verständlich, warum sich bestimmte Entwicklungen im Ökosystem Erde vollziehen und wie sie beeinflusst werden können.

In Oberpfaffenhofen und Neustrelitz betreibt das DFD das Deutsche Satellitendatenarchiv und sichert dort den täglich wachsenden Datenschatz von Sentinel-5P für künftige Generationen. Auch die Reprozessierung aller Missionsdaten, wenn in Zukunft neue Auswertetechniken zur Verfügung stehen werden, ist dadurch möglich. So bleiben die einzigartigen Einblicke des Satelliten auch über die Mission hinaus erhalten und können durch künftige Erdbeobachtungsmissionen weiter ergänzt werden.

Über die Mission

Der Satellit Sentinel-5P ist am 13. Oktober 2017 erfolgreich gestartet. Die Mission Sentinel-5P wurde im Rahmen des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus von der  europäischen Raumfahrtorganisation ESA und der niederländischen Raumfahrtbehörde entwickelt, ebenso wie die wissenschaftliche Nutzlast, das TROPOMI-Instrument. Die Auswertung der Satellitendaten erfolgt durch das Königliche Niederländische Meteorologische Institut (KNMI) sowie durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Gefördert wird die Mission durch die Mitgliedsstaaten der ESA, der niederländischen Raumfahrtbehörde und der Europäischen Union.

Quelle: DLR