Erdfernerkundung - Numerische Physik: Modellierung

3.1. GRUNDLAGEN 85
Höhe, ab ca. 250 km ist die Atmosphäre vollständig ionisiert. Die Ionosphäre beeinflusst die
Ausbreitung von Radiowellen und ist daher für die Kommunikation zwischen Satellit und
Bodenstation wichtig.
§ 262 Als Konsequenz ändert sich auch die Zusammensetzung der Atmosphäre. Bis in eine
Höhe von 100 km ist die Ionisation gering und die Dichte groß genug, um für eine Durchmischung
aller Gasbestandteile zu sorgen. In dieser Homosphäre besteht die Luft zu 78% aus
N2, 21% O2 und ca. 1% Ar sowie in der Troposphäre bis zu 4% Wasserdampf. Außerdem
enthält die Atmosphäre Spurengase wie Ozon, Kohlendioxid und Methan. Oberhalb dieser
Höhe beginnt die Heterosphäre – die geringere Dichte und damit reduzierte Kollisionsrate
zwischen den Molekülen verhindert eine effiziente Durchmischung der verschiedenen Molekülund
Atomsorten, so dass diese Entmischen und sich mit eigener Skalenhöhe anordnen: die
schweren Moleküle weiter unten, in größeren Höhen überwiegen leichte Moleküle und Atome
(Sedimentation). Außerdem bewirkt die zunehmende Ionisierung eine Dissoziation der Moleküle,
so dass mit zunehmender Höhe der Anteil der Atome gegenüber dem der Moleküle
zunimmt.
§ 263 Die Atmosphäre lässt sich vom Satelliten aus mit verschiedenen, jeweils an bestimmte
Fragestellungen angepassten Verfahren untersuchen:
• die Temperaturmessung in der Hochatmosphäre aus der Abbremsung von Satelliten ist uns
bereits in Abschn. 2.3.2 begegnet. Als Messverfahren ist dies kein Remote Sensing sondern
ein, wenn auch indirektes in-situ Verfahren.
• Spurengase in der Atmosphäre können durch rückgestreutes Licht nachgewisen werden –
das Ozonloch in Abb. 1.4 wurde auf diese Weise vermessen. Häufig wird auf diese Weise
wie in dem Beispiel die horizontale Verteilung bestimmt – Information über die vertikale
Verteilung der Spurengase können mit diesem Verfahren in der Regel nicht gewonnen
werden.
• Im Labor würde man Spurengase durch Absorption nachweisen. Mit einem Satelliten macht
man beim Limb Sounding das gleiche und erhält auf diese Weise Vertikalprofile. Das Verfahren
ist aufgrund kleinere Hindernisse (z.B. Himalaya) für die Untersuchung der Troposphäre
nicht geeignet.
Atmosphärische Transmission
§ 264 Um die Möglichkeiten und Einschränkungen der Erdfernerkundung zu verstehen,
müssen wir uns mit der atmosphärischen Transmission auseinander setzen. Abbildung 3.3
zeigt das elektromagnetische Spektrum, die in verschiedenen Bereichen nachweisbaren Phänomene
und die atmosphärische Transmission.
§ 265 Im sichtbaren Bereich ist die atmosphärische Transmission nahezu eins, eine Einschränkung
entsteht lediglich durch die Streuung des Lichtes an den Luftmolekülen. Diese
ist insbesondere bei großen Frequenzen, d.h. im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums,
von Bedeutung – wir werden dieser Dunststreuung häufiger begegnen. Geht man weiter zu
kürzeren Wellenlängen, so geht die Transmission schnell gegen Null: die UV-Strahlung wird
im wesentlichen von stratosphärischem Ozon absorbiert. Härtere Strahlung (EUV, Röntgen,
γ) wird bereits in der höheren Atmosphäre absorbiert und sorgt dort für die Bildung der Ionosphäre.
Auf Grund dieser Absorption ist es weder möglich, Röntgen- oder Gammaastronomie
vom Erdboden aus zu betreiben noch den Erdboden mit Röntgen- oder γ-Instrumenten
zu untersuchen. 2 γs mit sehr hoher Energie können die Atmosphäre wieder passieren, sie
2 Es gibt eine kleine Einschränkung zu dieser Aussage. Beim Durchgang durch Materie wird elektromagnetische
Strahlung nach dem Bougert–Lambert–Beer’schen Gesetz abgeschwächt: I(x) = I0e −µx mit µ als
Absorptionskoeffizient und x als der Schichtdicke der durchsetzten Materie. Sehr starke Röntgen- oder Gammaquellen
können daher auch nach Durchdringen der Atmosphäre in einem Detektor noch ein messbares
Signal erzeugen. So wurden z.B. zur Zeit des Kalten Krieges auf militärischen Satelliten auch γ-Detektoren
geflogen, um die bei Kernwaffenexplosionen emittierte Gammastrahlung nachzuweisen, z.B. Nachweis der
südafrikanischen Bemühungen um Kernwaffen. Das Verfahren ist jedoch nur sinnvoll für atmosphärische
c○ M.-B. Kallenrode 2. Juli 2008