Die polaren Regionen gehören zu den unwirtlichsten und am schwersten zugänglichen Regionen der Erde. Noch hundert Jahre nach der Wiederentdeckung
Amerikas 1492 war über die Arktis wenig bekannt. Die der Einleitung dieser Arbeit vorangestellte Landkarte von C. Loew aus dem Jahre 1598 zeigt einen eisfreien arktischen Ozean im Bereich des Nordpols. Diese Vorstellung von einem eisfreien Meer hinter einer Eisbarriere hielt sich noch bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts. Die Existenz des antarktischen Kontinents galt lange als ungewiss. Die Vorstellung von einem unbekannten südlichen Land Terra Australis taucht zwar schon in der griechischen Mythologie auf und auch die Europäer des 16. Jahrhunderts zeichneten oft einen Fantasiekontinent, als Ausgleich für die nördlichen Landmassen, in ihre Karten ein. Doch noch James Cook, der als erster Europäer den südlichen Polarkreis überschreitet, geht 1773 davon aus, dass hinter dem südlichen Meereis kein Kontinent existieren kann. Erst 1820 entdeckt die russische Antarktisexpedition unter Fabian Bellinghausen das antarktische Festland.
Heute gibt es keine weißen Flecken mehr auf der Landkarte, aber die Anzahl der aus den polaren Regionen zur Verfügung stehenden wissenschaftlichen Messungen, sei es der Atmosphäre, Kryosphäre oder des Ozeans, ist gering. Dies begründet sich hauptsächlich aus den menschenfeindlichen Bedingungen in der Arktis und Antarktis und den daraus resultierenden hohen Kosten für Forschungsstationen und nicht aus einer geringen Bedeutung dieser Gebiete, denn die Bedeutsamkeit der Polargebiete für das globale Klima ist unbestritten. Vor allem die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre, Ozean und Kryosphäre ist hierbei von Belang. Zur Kryosphäre gehören schneebedeckte Gebiete, eisbedeckte Gebiete und Permafrost-Böden. Dabei werden verschiedene Eisarten unterschieden: Landeis, das Gletscher und Schelfeis umfasst, außerdem See-, Fluss- und Meereis (WMO, 1989). Meereis ist ein wichtiger Parameter im Klimasystem. Bis zu 7% der Meeresoberfläche können mit Meereis bedeckt sein (Cavalieri und St. Germain, 1995). Im Winter beträgt die Eisfläche in der Arktis etwa 16·106 km2 und in der Antarktis mehr als 18·106 km2. Im Sommer sind es nur 7·106 km2 und 3·106 km2 entsprechend für Arktis und Antarktis (Cavalieri et al., 1997). Bei vielen Prozessen im Klimasystem spielt Meereis eine entscheidende Rolle. Die wichtigsten sollen hier kurz benannt werden [...]
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Physikalische Grundlagen
2.1 Elektromagnetische Strahlung
2.2 Mikrowellenfernerkundung
2.2.1 Thermische Strahlung
2.2.2 Helligkeitstemperatur und Emissivität
2.2.3 Mikrowelleneigenschaften von Meerwasser und Meereis
2.2.4 Entwicklung und Aufbau von Meereis
2.2.5 Einfluss der Atmosphäre
3. Sensoren, Satelliten und Daten
3.1 AMSR(-E)
3.1.1 Abtastgeometrie
3.1.2 Datenprodukte
3.2 SSM/I
3.3 MODIS
3.4 RADARSAT
4. Eiskonzentrationsberechnung
4.1 BOOTSTRAP-Algorithmus
4.2 ARTIST Sea Ice (ASI) Algorithmus
4.2.1 89 GHz Algorithmus
4.2.2 Wetterfilter
4.3 Gitterprojektion
4.3.1 Abtastabstand der Schwaddaten
4.3.2 Polarstereographische Projektion
4.3.3 Gitterinterpolation
4.3.4 Kartendarstellung
4.4 Validierung
4.4.1 Vergleich mit BOOTSTRAP-Daten
4.4.2 Anpassung an NASA-TEAM-SSM/I-Daten
4.5 Fehlerbetrachtung
4.6 Fallstudien und Anwendungen
4.6.1 Ochotskisches Meer
4.6.2 North Water Polynye
4.6.3 Nord-West-Passage
4.6.4 Eis auf Seen und Flüssen
5. Eiskantendetektion
5.1 Ice Edge Detection(IED) Algorithmus
5.2 Vergleich und Validierung
5.2.1 MODIS
5.2.2 Eiskantendetektion mit ASI
5.2.3 RADARSAT
6. Zusammenfassung und Ausblick
A. Wetterdaten
B. RADARSAT-Szenen mit detektierten Eiskanten
C. Streudiagramme der Wetterfilter
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, zwei bestehende Verfahren zur Meereisfernerkundung auf die Daten der neuen Mikrowellenradiometer AMSR und AMSR-E zu übertragen, um sowohl die Meereiskonzentration als auch die Lage der Eiskante in der Arktis und Antarktis mit verbesserter räumlicher Auflösung zu bestimmen.
- Anpassung des ASI-Algorithmus an AMSR(-E)-Daten zur hochauflösenden Eiskonzentrationsberechnung.
- Entwicklung und Validierung von Wetterfiltern zur Korrektur atmosphärischer Störeinflüsse in den 89 GHz-Kanälen.
- Übertragung des IED-Algorithmus zur präzisen Detektion der Eiskante.
- Vergleich der Ergebnisse mit anderen Sensordaten (SSM/I, MODIS, RADARSAT) und Anwendung in Fallstudien.
Auszug aus dem Buch
2.2 Mikrowellenfernerkundung
Das elektromagnetische Spektrum wird für verschiedene Wellenlängen λ und Frequenzen ν in Bereiche eingeteilt: λ = ∞ bis 10 cm ν = 0 bis 3 GHz Radiowellen = 10 cm bis 1 mm = 3 GHz bis 300 GHz Mikrowellen = 1 mm bis 0,7 μm = 0,3 THz bis 428 THz Infrarot = 0,7 μm bis 0,4 μm = 428 THz bis 750 THz sichtbares Licht = 400 nm bis 10 nm = 0,75 PHz bis 30 PHz Ultraviolett = 100 Å bis 0,1 Å = 30 PHz bis 30 EHz Röntgenstrahlung ≤ 0,1 Å ≥ 30 EHz γ-Strahlung Der verwendete AMSR(-E)-Sensor misst die von der Erde emittierten Mikrowellen im Frequenzbereich zwischen 7 und 89 GHz.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Bedeutung des Meereises für das Klimasystem, die Herausforderungen der Beobachtung und die Aufgabenstellung der Arbeit.
2. Physikalische Grundlagen: Erläutert die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Meereis und Atmosphäre sowie die Entwicklung von Eistypen.
3. Sensoren, Satelliten und Daten: Stellt die verwendeten Radiometer AMSR(-E) sowie Vergleichssensoren SSM/I, MODIS und RADARSAT vor.
4. Eiskonzentrationsberechnung: Detaillierte Vorstellung des BOOTSTRAP- und ASI-Algorithmus, der Gitterprojektion, der Validierung sowie Fallbeispielen.
5. Eiskantendetektion: Beschreibung des IED-Algorithmus, dessen Validierung und Vergleich mit anderen Sensorprodukten.
6. Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der Arbeit und Ausblick auf künftige Validierungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Meereis, Fernerkundung, AMSR-E, Mikrowellenradiometer, Eiskonzentration, Eiskante, ASI-Algorithmus, Wetterfilter, Arktis, Antarktis, Strahlungstransfer, MODIS, RADARSAT, Klimasystem.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Analyse und Auswertung von Daten des satellitengestützten Mikrowellenradiometers AMSR(-E) zur Bestimmung der Meereiskonzentration und der Eiskante in polaren Regionen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf den physikalischen Grundlagen der Mikrowellenfernerkundung, der Algorithmenentwicklung zur Eisbestimmung, der Korrektur atmosphärischer Effekte und der Validierung mittels Satellitenvergleich.
Was ist das primäre Ziel?
Das Ziel ist die Übertragung bestehender Verfahren (ASI und IED) auf das AMSR(-E)-System, um von der hohen räumlichen Auflösung der 89 GHz-Kanäle zu profitieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden passive Mikrowellenradiometrie, analytische Strahlungstransportmodelle und statistische Vergleichsmethoden zur Kalibrierung und Anpassung von Algorithmen genutzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die methodischen Grundlagen, die Implementierung des Eiskonzentrations- und Eiskantendetektions-Algorithmus sowie deren umfangreiche Validierung anhand von Vergleichsdaten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den Kernbegriffen gehören Meereis, AMSR-E, Eiskonzentration, Eiskantendetektion, Wetterfilter und Satellitenfernerkundung.
Wie werden Wetterstörungen korrigiert?
Die Arbeit implementiert verschiedene Wetterfilter, die auf unterschiedlichen Frequenzverhältnissen (GR) und der Polarisationsdifferenz basieren, um Wolken- und Atmosphäreneinflüsse zu minimieren.
Warum ist die räumliche Auflösung der 89 GHz-Kanäle relevant?
Die 89 GHz-Kanäle bieten eine deutlich höhere räumliche Auflösung (ca. 5 km) als tiefere Frequenzen, was für die Beobachtung mesoskaliger Phänomene wie Polynyen oder schmaler Eisstrukturen entscheidend ist.
- Citar trabajo
- Dr. Gunnar Spreen (Autor), 2004, Meereisfernerkundung mit dem satellitengestützten Mikrowellenradiometer AMSR(-E), Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/113748
