Erdfernerkundung - Numerische Physik: Modellierung

3.3. PASSIVE INSTRUMENTE IM NICHT-SICHTBAREN 143
vergleichbare Zahl von Photonen auftreffen zu lassen. Hilft es, wenn Sie Öffnungswinkel des
Instruments und Detektorfläche im Gegensatz zum Instrument im TIR deutlich vergrößern?
§ 462 Die von der Erdoberfläche emittierte thermische Emission im Mikrowellenbereich lässt
sich charakterisieren über ihre Intensität, ihre Polarisation, ihre Frequenz und den Winkel,
unter dem sie beobachtet wird. Alle vier Größen hängen von der betrachteten Oberfläche,
insbesondere der Temperatur und der Emissivität. Auf Grund der geringen Intensitäten ist
das Hauptproblem im Instrumentdesign die Reduktion des Rauschens.
§ 463 Dazu gehört nicht nur, wie bei Instrumenten im thermischen IR, das Rauschen des
Sensors sondern auch der Einfluss von Störquellen. Passive Mikrowellensensoren detektieren
Strahlung von vier Quellen:
• von der Atmosphäre emittierte Strahlung,
• an der Erdoberfläche reflektierte Strahlung,
• von der Erdoberfläche emittierte Strahlung,
• Strahlung aus tieferen Bodenschichten.
Die Quellen koexisiteren, so dass die Interpretation der Messungen einiges Nachdenken erfordert.
So lässt sich die am Erdboden reflektierte Strahlung auf einfache Weise durch Messung
nur auf der Nachtseite eliminieren. Die Emissionen von Atmosphäre und Erdboden
(bzw. tieferen Bodenschichten) lässt sich durch Verwendung unterschiedlicher Frequenzen
und Berücksichtigung der atmosphärischen Transmission unterscheiden. Allerdings gibt es
auch eine starke Störgröße für Mikrowelleninstrumente: Mikrowellen werden natürlich auch
von Kommunikationssysstemen in immer größerem Maße verwendet. Daher gibt es einen hohen
Mikrowellenuntergrund. Letzterer verschlechtert das Signal- zu Rausch-Verhältnis, normalerweise
gegeben als
rv = Isignal
Inoise
� 4 TS λ
= F
2
R2T 4 �
R
mit λ als der Wellenlänge, TR als der Temperatur des Empfängers (Receiver), TS als der
Temperatur des Zielobjekts bzw. der Erdoberfläche und R als dem Abstand.
Verständnisfrage 30 Können Sie die Abschätzung für das Signal- zu Rausch-Verhältnis
physikalisch begründen?
§ 464 Passive Mikrowellensensoren arbeiten bei Frequenzen zwischen 200 GHz und 1 GHZ
bzw. Wellenlängen zwischen 0.15 cm und 30 cm. Das räumliche Auflösungsvermögen verringert
sich daher um drei bis vier Größenordnungen, wenn wir vom infraroten Bereich in
den Mikrowellenbereich gehen. Für die kürzeste Wellenlänge (Frequenz von 37 GHz) des
Scanning Multichannel Microwave Radiometer SMMR [568] auf Nimbus-7 [558] ergibt sich
eine Pixelgröße von 18 km x 27 km, für seine längste Wellenlänge (entsprechend 6.6 GHz)
eine von 95 km x 148 km. Die Hauptanwendungsgebiete von passiven Mikrowelleninstrumenten
liegen daher in den Bereichen, in denen ein sehr gutes räumliches Auflösungsvermögen
nicht unbedingt erforderlich ist. Dazu gehören die Meteorologie (Messung von Temperaturprofilen
in der Atmosphäre) und die Ozeanographie (z.B. Meereisbedeckung, insbesondere
die Veränderungen der Meereisbedeckung in der Arktis und Antarktis als eine Art
Frühwarnsystem für globale Temperaturänderungen).
§ 465 Das Bodenauflösungsvermögen AG als die vom Sensor betrachtete oder besser aufgelöste
Fläche eines passiven Mikrowelleninstruments hängt ab von der Wellenlänge λ, der
Reichweite R, der Fläche AA der empfangenden Apertur und dem Scan-Winkel ϑ:
AG = λ2 R2 sec2ϑ .
AA
Je größer die Antenne und je kleiner die Wellenlänge, um so größer das Bodenauflösungsvermögen.
Beim Übergang vom thermischen IR in den Mikrowellenbereich reduziert sich das
Bodenaufläsungsvermögen einer gegebenen Antenne um drei bis vier Größenordnungen.
c○ M.-B. Kallenrode 2. Juli 2008