Karte der Deformationsgeschwindigkeit, die mit 50 Sentinel-1-Bildern über der Hoshab-Verwerfung (gekennzeichnet durch die durchgezogene schwarze Linie) in Belutschistan, Pakistan, erstellt wurde. Die Farben zeigen an, ob sich die Erdoberfläche vom Radar weg (rote Farbe) oder auf das Radar zu bewegt (blaue Farbe). Die Bewegung verläuft hauptsächlich parallel zur Verwerfung, die auf ihrer rechten Seite meist Nord-Süd orientiert ist. Da der Satellit einer quasi-polaren Umlaufbahn folgt (hauptsächlich Nord-Süd orientiert) und das Radar 90º nach rechts schaut, kann es die Bewegung, die auf diesem Teil der Verwerfung stattfindet, nicht erfassen. Erst wenn die Verwerfung beginnt, sich in Ost-West-Richtung zu biegen, wird die Bewegung wahrgenommen, wie man an dem rötlichen Bereich links von der Sentinel-1-Aufnahme erkennen kann. Die spezielle Konfiguration der Harmony-Satelliten ermöglicht die genaue Messung der Nord-Süd-Komponente der Verformung und damit die Beobachtung von 3-D-Verformungsphänomenen weltweit.
Darstellung der Stereo- (links) und Cross-Track-Flugformationen (rechts) für Harmony
Darstellung der Stereo- (links) und Cross-Track-Flugformationen (rechts) für Harmony. Der Satellit Sentinel-1 ist in schwarzer Farbe dargestellt. Sentinel-1 sendet ein Signal aus und nimmt die zurückgestreuten Echos auf (dargestellt mit rosafarbenen Pfeilen), während die Harmony-Satelliten einen Teil der Energie empfangen, die zu ihnen zurückprallt (dargestellt mit den grünen Pfeilen).
Die Veränderungen der Erde und ihr empfindliches Gleichgewicht zu verstehen, ist von immer größer werdender Bedeutung. "Mit der Mission Harmony haben wir die Möglichkeit, neue Einblicke in Prozesse des Erdsystems zu gewinnen. Das stellt eine erhebliche wissenschaftliche und technische Herausforderung dar," betont Prof. Alberto Moreira, Direktor des Instituts für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme beim Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR).
Ozeane, Land und Eisflächen scharf im Blick
Im Fokus der Erdbeobachtungsmission Harmony steht die Beobachtung und Auswertung von kleinsten Bewegungen an der Luft-Meer-Grenzfläche, wie Wind, Wellen, Oberflächenströmungen, außerdem der festen Erde wie bei tektonischen Deformationen und Höhenänderungen an Vulkanen und der Kryosphäre, also Gletscherströme und Höhenänderungen. Die Harmony-Mission wird zwei Satelliten einsetzen, die einem der Copernicus Sentinel-1-Satelliten folgen. Sie fliegen in zwei verschiedenen Formationen. Bei der Stereo-Formation, wird ein Harmony-Satellit jeweils im Abstand von 350 km vor und hinter dem Sentinel-1-Satelliten platziert. In der engen Flugformation werden beide Harmony-Satelliten relativ nahe zueinander – etwa 200-500 Meter – und im Abstand von 350 Kilometern zum Sentinel-1 fliegen. Jeder Harmony-Satellit trägt als Hauptnutzlast ein passives Radar mit synthetischer Apertur (SAR). Dieses erfasst die von Sentinel-1 zur Erde gesendeten reflektierten Signale. Eine thermische Infrarotkamera mit mehreren Blickrichtungen ist ebenfalls an Bord. Damit werden die Wolkenhöhe und die Bewegungsvektoren der Wolken gemessen. "Durch das Zusammenspiel der drei Satelliten gewinnen wir eine Deformationsmessung der Erdoberfläche in drei Dimensionen sowie eine Geschwindigkeitsmessung der Meeresströmungen mit bisher unerreichter Genauigkeit von 0,2 Meter pro Sekunde", betont Prof. Moreira.
Der Weg zum extakten Bild
Die Wissenschaftler des DLR-Instituts für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme sind Teil des Teams, dass den Missionsvorschlag eingereicht hat. Die Beiträge des DLR konzentrieren sich zum einen auf die Konzeption der Harmony-Mission und des Radarsystems, Konsolidierung der Nutzer- und Radarsystemanforderungen und Abschätzung der gesamten Systemleistung. Zum anderen zielen sie auf ein neues Verfahren für die Synchronisation zwischen den Radarsystemen der Harmony-Satelliten und Sentinel-1 ab. Darüber hinaus entwickelt das Institut ein aufwendiges Software-Tool zur Berechnung der Leistung der Radarsysteme sowie für die Erstellung von simulierten Radarbildern. In einem nächsten Schritt werden Algorithmen genutzt, um dreidimensionale Deformationskarten der Erdoberfläche und topographische Veränderungen an Vulkanen zu berechnen. Damit wird der Nachweis erbracht, dass die Nutzeranforderungen an Genauigkeit der Messungen erfüllt werden. Nicht zuletzt hat das Institut eine luftgestützte Kampagne mit dem Flugzeug-SAR-System in Nordkanada und weitere Datenaufnahmen mit den Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X von der Meeresoberfläche um die Karibikinsel Barbados durchgeführt. Die daraus resultierenden Daten werden von den Wissenschaftlern zur Vorbereitung der Datennutzung der Mission genutzt.
Ein Stück weiter in die Zukunft
Drei Missionen, Daedalus, Harmony und Hydroterra, wurden in den letzten zwei Jahren auf ihre wissenschaftliche, technische und finanzielle Machbarkeit als zehnte ESA-Mission geprüft. Sie wurden 2018 aus 21 eingereichten Vorschlägen für eine Machbarkeitsstudie ausgewählt. "Unsere nächste Herausforderung ist die erfolgreiche Durchführung der Phase A der Harmony-Mission. Die Industrie- und Wissenschaftsteams haben noch anderthalb Jahre harter Arbeit vor sich, um zu zeigen, dass die Mission den technologischen und wissenschaftlichen Reifegrad erreicht hat, der für den Eintritt in die Realisierungsphase erforderlich ist, welcher schließlich zum Start der Harmony-Satelliten bis zum Ende dieses Jahrzehnts führen wird", erklärt Prof. Moreira.
Diese Phase, die sogenannte Phase A, umfasst eine weitere Durchführbarkeitsbewertung, einschließlich des Entwurfs der Satellitenplattform und der Satelliteninstrumente, des Flugbetriebs sowie der technologischen Entwicklungen.
Dr. Pau Prats, Mitglied der ESA Mission Advisory Group für Harmony und Wissenschaftler am Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme, ist von den Vorteilen dieser Mission überzeugt: „Die einzigartige Konfiguration der Harmony-Satelliten in Kombination mit Sentinel-1 wird den SAR-Beobachtungen eine neue Dimension hinzuzufügen, die ganz neue Anwendungen in den nächsten zwei Jahrzehnten ermöglichen wird.“
