Meereisfernerkundung

Auf Grund der Abgeschiedenheit und der lebensfeindlichen Umgebung der Polargebiete sind Satellitenbeobachtungen besonders geeignet um die Arktis und den Zustand ihrer Meereisbedeckung zu beobachten. Meereisfernerkundung kann dabei sowohl zur Klimaforschung beitragen als auch für praktische Anwendungen (z. B. Schifffahrt) nützlich sein. Wir verwenden passive Mikrowellen Messungen um zwei wichtige Meereisparameter vom All aus abzuschätzen: die Eisdicke (von dünnem Eis) und die Schneedicke (über dickem Eis).

Dünnes Meereis mit einer Dicke von unter 50 cm spielt eine entscheidende Rolle für den Energieaustausch zwischen Atmosphäre und Ozean in den Polargebieten, sowie für die Dynamik des Meereises. Daher würde eine kontinuierliche großflächig Vermessung der Dünneis-Gebiete in den Polarregionen einen wichtigen Beitrag zur Beobachtung unseres Klimasystems leisten. Die SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) Satellitenmission der Europäischen Weltraumbehörde (ESA) wurde 2009 gestartet und ermöglicht zum ersten Mal die globale Messung der natürlichen Ausstrahlung der Erde bei einer niedrigen Mikrowellenfrequenz von 1.4 GHz (etwa 21 cm Wellenlänge). SMOS war zwar ursprünglich für die Bereitstellung von gobalen Messungen der Bodenfeuchte und des Ozeansalzgehalts vorgesehen (wie der Name sagt), ist aber auch für die Meereisforschung nützlich. Im Gegensatz zu den höheren Frequenzen, bei denen bisherige passive Mikrowellensensoren betrieben worden sind, stammt die Strahlung, die man bei 1.4 GHz über Meereis misst, nicht nur von der Oberfläche des Eises, sondern auch aus den tieferen Eisschichten und, solange das Eis nicht zu dick ist, vom Wasser unterhalb des Eises. Folglich enthalten SMOS Messungen Informationen über die Eisdicke bis zu Dicken von etwa 50 cm bis 1 m. In unserer Arbeitsgruppe wurde ein innovativer Retrievalalgorithmus entwickelt, mit dem wir operationell tägliche SMOS Eisdickenkarten für dünnes Eis in der Arktis produzieren. Diese Karten stellen wir über die icdc.zmaw.de-Seite bereit.

Monthly mean sea ice thickness derived from SMOS brightness temperatures in the Arctic for November 2012. Note that the maximum retrievable ice thickness with SMOS is about 1 m. Thus, here these values indicate ice thicknesses of at least 1 m.

Schnee ist ein wichtiger Bestandteil des arktischen Klimasystems. Auf Grund des hohen Rückstreuvermögens für solare Strahlung (Albedo) und der geringen thermischen Leitfähigkeit spielt die Schneeauflage beim Oberflächenenergie-Haushalt in den polaren Gebieten eine große Rolle. Durch den Schnee verändert sich auch das von Satelliten beobachtete Signal, und die Schneedicke wird z. B. für die Eisdickenabschätzung mit Altimetermessungen (d.h. Messungen der Höhe des Satelliten über der Erdoberfläche) benötigt. Bisher waren kontinuierliche großflächige Messungen der Schneedicke nur mit passiven Mikrowellensatelliten möglich, die bei Frequenzen von 19 und 37 GHz betrieben wurden. Jedoch sind diese Satellitenmessungen nicht für die Schneedickenbestimmung über mehrjährigem Eis in der Arktis geeignet, weil sich die gemessenen Signale über mehrjährigem Eis und Wasser bei diesen Frequenzen nicht unterscheiden. Mehrjähriges Eis ist Eis, das mindestens eine Sommer-Schmelzperiode in der Arktis überstanden hat. Es ist üblicherweise salzärmer und durchlässiger als erstjähriges Eis, also Eis, das sich in der jeweiligen Eiswachstumsperiode neu gebildet hat.

Mit Hilfe von Messungen der SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) Satellitenmission der Europäischen Weltraumbehörde sind Eisdicken bis zu einer Dicke von 50 cm bis 1 m bestimmt worden. Verglichen mit bisherigen Mikrowellensatelliten misst SMOS bei einer sehr niedrigen Frequenz von 1,4 GHz. Über dickem Eis (über dem die Bestimmung der Eisdicke mit SMOS nicht möglich ist) haben wir einen Zusammenhang zwischen der gemessenen 1,4 GHz Strahlung und der Dicke der Schneeauflage gefunden. Ein erster Vergleich von Schneedicken, die aus SMOS abgeleitet wurden, mit Schneedicken, die während einer Flugkampagne im Frühling 2012 in der Arktis gemessen wurden, zeigt eine recht gute Übereinstimmung (siehe Abbildung unten).

Unsere Ziele sind die weitere Validierung der neuen SMOS-basierten Methode zur arktisweiten Bestimmung der Schneedicke, die Untersuchung der Unsicherheiten dieser Methode bezüglich der Eisbedingungen und möglicherweise eine Verbesserung des verwendeten Strahlungsmodels. Das angestrebte Ziel ist dann die Bereitstellung von arktisweiten Schneedickenkarten (einschließlich der Unsicherheiten) für einen längeren Zeitabschnitt. Diese Karten könnten als Eingangsdaten für Meereismodelle verwendet werden, zum Beispiel für kurz- und mittelfristige Eisvorhersagen.

Schneedicken wie sie aus SMOS Satellitendaten gewonnen wurden (Hintergrund) und wie sie während der sog. "Operation IceBridge"-Flugkampagne der NASA im März/April 2012 gemessen wurden (Kreise)