Team: GHG & Calibration

Die Gruppe Greenhouse Gases (GHG) und Calibration bearbeitet 2 Schwerpunktthemen:

1. Entwicklung von Kalibrationsmethoden für Erdbeobachtungssysteme der Atmosphäre
2. Entwicklung von Methoden zur Berechnung von Treibhausgasparametern in der Atmosphäre

Für die Fernerkundung der Erdatmosphäre können aktive und passive Systeme genutzt werden.

Instrumente, die “active sensing”  betreiben, bringen ihre Signalquelle mit, d.h. sie strahlen Licht oder andere Signale aus und analysieren die Reflektion vom Erdboden oder aus der Atmosphäre. Im Vergleich zu passiven Instrumenten die beispielsweise reflektiertes Sonnenlicht als Signalquelle nutzen hat dies den Vorteil, dass

• das ausgestrahlte Signal und der Signalweg gut bekannt sind, und
• man unabhängig vom Sonnenstand Messungen durchführen kann (speziell auch nachts).

In der Atmosphärenerkundung werden hauptsächlich sogenannte LIDAR (Light Detection and Ranging), die Laser als Lichtquelle verwenden, genutzt. Dabei werden kurze Laserpulse vom Satelliten ausgesandt und die Rückstreuung des Lichtes analysiert. Während es boden- und flugzeuggestützte Lidarsysteme schon länger gibt, sind satellitengestützte Lidarmessungen eine relativ neue Entwicklung. IMF ist an zwei Lidarmissionen beteiligt: Aeolus zur Vermessung von globalen Windfeldern und MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR Mission) zur Messung des Treibhausgases Methan (CH4). Das IMF arbeitet bei diesen Missionen eng mit dem DLR-Institut für Physik der Atmosphäre (IPA) zusammen.

Passive Systeme nutzen das von der Erde reflektierte Sonnenlicht um Spektren aufzunehmen. Der Vorteil passiver Systeme ist, dass sie Messungen großer Gebiete simultan durchführen können und so in kurzer Zeit eine globale Abdeckung erreichen. Beginnend mit GOME-1 (1995) bis zu den aktuellen Copernicus-Atmosphärenmissionen Sentinel-5P/Sentinel-4/Sentinel-5 ist unsere Abteilung seit 30 Jahren an der Entwicklung von Algorithmen zur Instrumenten-Kalibration, sowie Bestimmung von atmosphärische Spurengasen beteiligt. Zum Einsatz in operationellen Bodensegmenten von Erdbeobachtungssystemen haben wir das Prozessierungssystem GCAPS (Generic Calibration and Processing System) entwickelt. GCAPS ist generisch, d.h. das Framework kann sowohl für die verschiedensten Instrumente als auch für verschiedenste Anwendungen verwendet werden. Algorithmen sowie das Lesen und Schreiben von Datenprodukten werden als Plug-Ins implementiert.

Für die Berechnung von Treibhausgaskonzentrationen nutzen wird das intern entwickelte Py4CAtS Softwarepaket (Python for Computational ATmospheric Spectroscopy). Py4CAtS ist ein Strahlungstransportmodell, das im infraroten und Mikrowellen-Spektralbereich Anwendung findet. Dank der modularen Struktur kann es flexibel in verschiedenen Szenarien eingesetzt werden, insbesondere als Vorwärtsmodell für Inversionsverfahren, die in der Forschungsgruppe entwickelt werden. Mit Py4CAtS und entsprechenden Inversionsalgorithmen werden Spurengas- und Treibhauskonzentrationen aus Satelliten- und Flugzeugmessungen präzise bestimmt. Darüber hinaus findet Py4CAtS Anwendung in der Forschung zu Spektren von Exoplaneten. Eine neuere Entwicklung ist die Berechnung von Methan aus Messungen  flugzeuggetragenen Instruments HySpex des DLR. Hier konnten wir zeigen dass unsere Algorithmen Methanemissionen auch aus Daten mit relativ geringer spektralen Auflösung ermitteln können.

Sowohl GCAPS als auch Py4CAtS werden von uns kontinuierlich weiterentwickelt.

Die Gruppe GHG & Calibration ist momentan an den folgenden Projekten beteiligt:

FDR4ATMOS

Das ESA Projekt entwickelt Algorithmen zur Harmonisierung von Radianzen der Missionen GOME/ERS-2, SCIAMACHY/ENVISAT und GOME-2 auf MetOp-A/B/C. Unsere Gruppe ist hier federführend in einem Konsortium mit IUP Bremen, BIRA-IASB, NPL UK und ESS. Mehr Informationen sind auf der FDR4ATMOS-Seite zu finden.

MERLIN Mission

Die MERLIN Mission soll Methan hochgenau vermessen. Methan ist nach Kohlendioxid (CO2) der zweitgrößte Beitrag zur anthropogenen, also von Menschen verursachten, Klimaerwärmung. Es entsteht hauptsächlich bei biogenen Prozessen, z. B. bei Fäulnisprozessen, durch Reisanbau oder Viehhaltung. Die Kenntnis der Quellen und Senken von Methan ist wichtig, um Klimaveränderungen zuverlässig vorhersagen zu können. Dabei ist die Fähigkeit von MERLIN,  auch in der polaren Nacht Permafrostgebiete vermessen zu können, besonders wichtig, da mit passiven Instrumenten diese Gebiete nur während des lokalen Sommers nützliche Daten erfasst werden können. MERLIN unterliegt als aktives Instrument nicht dieser Beschränkung und kann das ganze Jahr hindurch Tag und Nacht messen.  MERLIN ist ein deutsch-französisches Projekt, bei dem Frankreich für die Plattform verantwortlich ist und Deutschland für die Nutzlast. Der  Start von MERLIN ist für 2029 vorgesehen. Bei MERLIN ist das IMF für die Implementierung des operationelle Level 1 Prozessors und zusammen mit IPA an der Entwicklung der Kalibrationsalgorithmen und eines Level 2 Prozessors beteiligt. Außerdem führt die Abteilung  das “Long-Term Monitoring” des Instruments durch. Im Monitoring werden verschiedene Instrumentenkenngrößen beobachtet, um frühzeitig auf Änderungen im Instrument reagieren zu können. Zum MERLIN Konsortium gehören neben DLR Instituten, CNES (der französischen Raumfahrtagentur) und anderen französischen Instituten, auch Airbus Defense and Space, verantwortlich für den Bau des Instrumentes, und die Firma SciSys, verantwortlich für die Übertragung von Instrumentendaten und das Datennutzerinterface.

Aeolus und Aeolus-2 Mission

Die Aeolus-Mission ist das erste weltraumgestützte Doppler-Wind-LIDAR zur globalen Messung von Windprofilen in der Troposphäre und der unteren Stratosphäre. Bei der LIDAR Messung der Windgeschwindigkeiten wird ausgenutzt, daß Licht welches von bewegter Atmosphäre zurückgestreut wird durch den sogenannten Dopplereffekt eine Wellenlängenverschiebung erfährt. Aus Ausmaß und Richtung der Verschiebung kann man die Geschwindigkeit des rückstreuenden Teilchens und damit die Windgeschwindigkeit in Strahlrichtung berechnen. Nach der erfolgreichen ersten Aeolus Mission, die von 2018-2023 Windprofile gemessen hat, ist eine Nachfolgemission für die frühen 2030er Jahre geplant. Auch in der neuen Mission ist das IMF an der sogenannten Level-1-Prozessierung beteiligt d. h. für die Kalibrierung der Detektorsignale), und verantwortlich für die Entwicklung der Level 1 Prozessoren. Außerdem führt das IMF auch Entwicklungsaufgaben für den operationellen Level 2A Prozessor aus. Weiterhin ist das IMF im Rahmen der ersten noch laufenden Aeolus-Mission an der Datenauswertung und Algorithmenentwicklung beteiligt.

CO2Image