Einleitung
Auf dieser Seite geht es um den „Gesundheitszustand“ der Erde. Das größte Problem ist dabei sicher der Klimawandel. Man könnte sagen, dass unser Planet „Fieber“ hat. Und weil das die ganze Erde betrifft, braucht man auch einen weltweiten Überblick, wenn man sich mit der Erderwärmung beschäftigt. Aber auch bei vielen anderen Umweltfragen hilft der „globale Blick“ von oben. Deshalb reisen wir mit dir gleich mal weit in die Höhe. Mit einem Forschungsballon durchqueren wir die einzelnen Luftschichten unserer Atmosphäre und kommen schließlich im Weltraum an. Da steigen wir um und kreisen an Bord von Umweltsatelliten rund um die Erde. Wir zeigen dir unseren Planeten, wie du ihn noch nie gesehen hast! Denn wir betrachten die Erde mit ganz besonderen „Augen“: nämlich mit den Kameras und Sensoren von Satelliten. Wir erklären dir, warum sie viel mehr sehen können als unsere menschlichen Augen. Was erkennt man auf den Satellitenbildern? Wie entstehen sie überhaupt? Wieso werden da oft so seltsame „Falschfarben“ verwendet? Und warum sind diese Daten so wichtig für den Schutz unserer Umwelt? Also los! Auf geht’s!
Der Klimawandel
Zunächst ein paar Sätze zum Klimawandel. Denn das ist ja das wichtigste Thema, wenn wir vom „Gesundheitszustand“ unseres Planeten sprechen. Seit über 100 Jahren steigen die Temperaturen auf der Erde immer weiter an. Es kann zwar mal ein paar kalte Tage im Winter oder ein paar Regentage im Sommer geben. Aber das ist ja nur das Wetter, das sich von Tag zu Tag ändert. Wenn wir dagegen vom Klima sprechen, geht es nicht um ein paar Tage. Sondern dann betrachtet man, wie sich die Temperaturen und Niederschläge über mehrere Jahre und Jahrzehnte entwickeln. Und das auch nicht nur an einem Ort. Sondern dabei werden die Werte rund um den Globus untersucht. Sieht man sich die Daten an, die über lange Zeit von Wetterstationen aus aller Welt gesammelt wurden, gibt es keinen Zweifel: Die Erde wird immer wärmer. Wir wissen auch, woran das liegt: nämlich an den Abgasen, die bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas entstehen. Das passiert vor allem in Kraftwerken, Heizungen und im Verkehr. Das wichtigste Gas, das dabei entsteht, ist Kohlenstoffdioxid. Es ist ein Treibhausgas. Das bedeutet: Es lässt das Licht der Sonne zwar durch die Atmosphäre auf die Erde, aber es lässt nicht mehr alle Wärme ins Weltall entweichen. Ausführlicher haben wir das hier behandelt – und da haben wir auch erklärt, was man dagegen tun kann. Übrigens: Ein bisschen Treibhauseffekt ist sogar gut. Das nennt man den „natürlichen Treibhauseffekt“ und ohne den wäre die Erde ein kalter „Schneeball-Planet“. Doch die vielen Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid, die andauernd in die Atmosphäre gelangen, sind einfach zu viel. Das führt nicht nur zu Hitze und Trockenheit, sodass in manchen Gegenden die Ernte ausfällt und diese Regionen fast unbewohnbar werden. Sondern an manchen Orten kommt es umgekehrt zu starken Unwettern und Flutkatastrophen. Denn wenn es auf der Erde wärmer wird, gerät dabei das ganze Wettergeschehen durcheinander. Dazu genügte bisher schon ein Anstieg um etwas mehr als 1 Grad Celsius. Das klingt zwar nach wenig, hat aber schon jetzt enorme Auswirkungen. Und es ist absehbar, dass die Erderwärmung weitergeht.
Übrigens: Wie das Kohlenstoffdioxid (oft auch Kohlendioxid genannt und CO2 abgekürzt) wirkt, kannst du selbst in dieser interaktiven Animation ausprobieren. Klicke rechts Kohlendioxid an – dann erscheint ein solches „Gas-Teilchen“ im Display. Es besteht aus einem Kohlenstoff-Atom und zwei Sauerstoff-Atomen. Schicke nun mit der Taschenlampe erst einmal das normale sichtbare Licht der Sonne los. Auf dem Weg zur Erdoberfläche geht es problemlos durch das Gasmolekül hindurch. Danach schaltest du vom sichtbaren Licht auf Infrarot um – das ist die Wärmestrahlung. Du wirst sehen, dass diese Strahlung nicht komplett durch das Gasmolekül hindurchgeht. Sondern ein Teil der Wärme wird vom Molekül wieder zurückgeworfen. So verhält es sich auch mit der Wärme, die von der Erdoberfläche in Richtung Weltraum abgestrahlt wird: Das Kohlenstoffdioxid lässt sie nicht komplett in den Weltraum entweichen, sondern wirft einen Teil zurück. Und wenn zu viel von diesem Treibhausgas in der Luft ist, heizt das die Temperaturen auf unserem Planeten auf. Quelle: phet/University of Colorado
Die Reise im Ballon durch die Atmosphäre
So, nachdem wir das geklärt haben, starten wir jetzt die versprochene Reise in einem Ballon. Übrigens gibt es ganz verschiedene Ballon-Arten. Manche dienen der Forschung, tragen viele Instrumente in die Höhe und sind deshalb ziemlich groß. Ein Wetterballon ist dagegen deutlich kleiner. Damit sammeln Wetterdienste täglich Daten. Auch Schulen können einen solchen Ballon weit nach oben in die Atmosphäre aufsteigen lassen. Dafür braucht man nur ein bisschen technisches Geschick und natürlich eine Genehmigung, die von den Lehrkräften vorher eingeholt werden muss. Und natürlich braucht man Helium, mit dem der Ballon gefüllt wird: Dieses Gas ist leichter als Luft und deshalb steigt der Ballon in die Höhe. Ach ja, fast das Wichtigste vergessen: Der Ballon soll ja nicht einfach zum Spaß nach oben fliegen. Wenn ihr in eurer Schule also wirklich mal so einen Ballon starten wollt – überlegt euch vorher gut, welche Instrumente er an Bord haben soll und wie man die Daten, die mit diesen Geräten gesammelt werden, anschließend auswerten kann. Falls es dich interessiert: Hier findest du den Bericht von einigen Jugendlichen, die ein solches Schulprojekt mit einem Ballon durchgeführt haben – und sie wurden dafür sogar beim Wettbewerb von Jugend forscht ausgezeichnet.
Jetzt aber los! Wir heben in Gedanken ab und erreichen nach kurzer Zeit eine Höhe von etwa 3.000 Metern. So hoch ist die Zugspitze, der höchste Berg Deutschlands. Noch etwas weiter nach oben ragen die höchsten Berge in den Alpen – mit dem Mont Blanc als Spitzenreiter, der 4.800 Meter hoch ist. Hier ist die Luft schon spürbar dünner und wir steigen weiter auf. Gleich sollten wir Sauerstoffmasken anziehen – denn bei über 8.000 Metern erreichen wir die „Todeszone“. So nennen Bergsteiger die Gipfelregionen im Himalaya, wo man ohne künstlichen Sauerstoff kaum noch atmen kann. Also ziehen wir mal auf unserer Ballonfahrt schnell unsere „Gedankenreisesauerstoffmaske“ auf. ;-)
10.000 Meter: Das ist die typische Reiseflughöhe von Passagierflugzeugen. Wenn man sich die Luftmassen der Erde wie eine Schicht rund um unseren Planeten vorstellt, hat man in dieser Höhe von zehn Kilometern schon die allermeiste Luft unter sich: vielleicht 70 oder 80%. In diesem ganzen Bereich vom Boden bis in zehn Kilometer Höhe – er wird übrigens Troposphäre genannt – spielt sich auch das meiste Wettergeschehen ab. Fast alle Wolken, die wir am Himmel sehen, sind maximal zehn Kilometer hoch: viele deutlich tiefer und nur ganz wenige weiter oben. Auch die Kondensstreifen, die Flugzeuge manchmal hinter sich erzeugen, entstehen in dieser Höhe. Und zwar, wenn es hier oben etwa -50 Grad Celsius kalt ist. Denn bei diesen niedrigen Temperaturen kann die Luft die Feuchtigkeit, von der es ja immer etwas in der Luft gibt, nicht mehr speichern. Dann bilden sich kleine Tröpfchen, die zu winzigen Eiskügelchen gefrieren, und die sieht man dann vom Boden aus als weiße Wolkenstreifen.
Forschungsflugzeuge hoch über den Wolken
Über der Troposphäre – also ab etwa zehn Kilometer aufwärts – ist die Luft so dünn, dass dort nur noch ganz spezielle Flugzeuge fliegen können. Dazu gehört zum Beispiel „HALO“, ein Forschungsflieger des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Er erreicht sogar etwas mehr als 15 Kilometer Höhe und kann dabei Geräte und Messinstrumente von drei Tonnen Gewicht transportieren.
Was mit Forschungsflugzeugen untersucht und gemessen wird? Zum Beispiel die Zusammensetzung der Luft. Sie besteht ja zu einem großen Teil aus den Gasen Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%). Aber außerdem auch aus sogenannten Spurengasen (die heißen so, weil davon nur geringe Spuren in der Luft sind). Und dann sind da eben noch die Treibhausgase wie das Kohlenstoffdioxid, das wir oben schon erwähnt haben, und auch Methan – und all das wird von Sensoren außen am Flieger gemessen. Außerdem führen Forschungsflugzeuge wie HALO oftmals Kameras und andere Instrumente mit sich, um ganz verschiedene Umweltfragen zu untersuchen: den Zustand der Regenwälder, den Rückgang der Gletscher durch die Erderwärmung oder das Schmelzen des Polareises, das ebenfalls durch den Klimawandel ausgelöst wird.
In vielen Fällen werden Forschungsflieger auch genutzt, um Kameras und andere Geräte zu testen, die später auf einem Satelliten eingesetzt werden sollen. Das hat den Vorteil, dass man nach einem solchen Testflug notfalls noch etwas an den Instrumenten verbessern kann. Ist ein Gerät oder eine Kamera erst einmal im Weltraum, ist es dafür natürlich zu spät.
Die Ozonschicht: Schutz vor gefährlicher Strahlung
Jetzt steigen wir auf unserer Gedankenreise noch höher auf. In etwa 30 bis 50 Kilometern Höhe befindet sich die Ozonschicht. Ozon ist eine spezielle Art des Sauerstoffs – und sie schützt uns vor der aggressiven UV-Strahlung der Sonne. In der Vergangenheit wurde diese Schicht stark geschädigt – und zwar durch ein Gas namens FCKW. Es stammte aus Spraydosen und anderen „Quellen“ – zum Beispiel wurde es früher in Kühlschränken verwendet. Das FCKW hat das Ozon zersetzt und so dünnte sich die Ozonschicht immer mehr aus. Inzwischen ist FCKW weltweit verboten, sodass sich die Ozonschicht mittlerweile wieder etwas erholt. Erkannt hat man das alles anhand von Satellitendaten. Und was Satelliten sonst noch so alles erkennen, schauen wir uns jetzt an.
Denn wir müssen gleich umsteigen! Das liegt daran, dass die meisten Ballone in etwa 30 bis 40 Kilometern Höhe platzen. Weil der Luftdruck um sie herum in dieser Höhe so niedrig ist, bietet er dem Gas, das sich im Ballon befindet, kaum noch Widerstand. Also: Innen ist viel Druck, außen immer weniger, je höher der Ballon steigt. Dadurch dehnt sich die Ballonhülle immer mehr aus, bis es „Peng!“ macht. Dieser Bereich von etwa 15 bis 50 Kilometer Höhe wird übrigens Stratosphäre genannt und deshalb spricht man auch von einem Stratosphärenballon. Wenn er eine Box mit Instrumenten an Bord hat, fällt die jetzt auf den Boden – und wenn da ein Sender drin ist, kann man sie anschließend finden und die Daten auswerten. Weil wir mehrfach vom Luftdruck gesprochen haben noch ein Hinweis für alle, die mehr darüber wissen wollen: Hier haben wir das ganz ausführlich erklärt.
Satelliten und ihre Bahnen um die Erde
Die Höhe von 100 Kilometern gilt als die Grenze zum Weltraum. Es handelt sich dabei allerdings um keine echte „Grenze“, sondern das hat man einfach so festgelegt. Und diese Höhe überschreiten wir jetzt in Gedanken auch. Dabei wechseln wir vom Ballon zu einem der vielen Satelliten, die die Erde andauernd umkreisen. Und weil er gerade an uns vorbeifliegt, machen wir mal schnell einen großen Sprung … und schwupps! … sind wir auf EnMAP. Das ist ein deutscher Umweltsatellit, der die Erde in 650 Kilometern Höhe umrundet. Ganz viele Infos zu diesem Satelliten findest du übrigens hier.
Es gibt ganz verschiedene Arten von Satelliten. Manche übertragen Fernsehprogramme, andere tauschen mit dem Navi im Auto oder in deinem Smartphone Signale aus. Wir beschäftigen uns hier aber nur mit Satelliten, die der Klima- und Umweltforschung dienen. Und auch da gibt es eine Menge Unterschiede.
Zunächst einmal sind da die verschiedenen Umlaufbahnen. Manche Satelliten – dazu gehört auch EnMAP – umkreisen die Erde auf recht niedrigen Bahnen von etwa 500 bis 800 Kilometern. Aus dieser Höhe sehen sie viele Einzelheiten. Aber sie können dabei nicht die ganze Erde auf einen Blick sehen, sondern immer nur einen schmalen Streifen der Erdoberfläche. Doch das macht nichts. Denn wenn sie eine Umkreisung der Erde geschafft haben und wieder am selben Punkt ihrer Bahn ankommen, hat sich ja unser Planet inzwischen etwas weiter um seine Achse gedreht. Zur Erinnerung: Die Erde dreht sich in 24 Stunden einmal um ihre Achse – diese Drehung wird Rotation genannt. Also: Kommt der Satellit auf seinem Weg um die Erde wieder an denselben Punkt seiner Umlaufbahn, sieht er durch die Erdrotation eine andere Gegend. Und bis zum nächsten Mal hat sich die Erde unter der Satellitenbahn wieder etwas weitergedreht. Andauernd hat der Satellit daher unterschiedliche Gebiete der Erde im Blick – immer einen Streifen nach dem anderen. Und nach einer Weile hat er schließlich die ganze Erde erfasst, bevor es wieder von vorne losgeht. Weil das etwas kompliziert klingt, haben wir das mal in einer Animation dargestellt:
In dieser Animation siehst du zuerst einen Satelliten, der auf einer niedrigen Bahn die Erde umkreist. Sie führt über die Polargebiete und wird deshalb als „polare Umlaufbahn“ bezeichnet. Dabei dreht sich die Erde unter der Bahn andauernd weiter, sodass der Satellit nach und nach einen Streifen nach dem anderen aufnimmt. Anschließend sieht du, wie ein sogenannter geostationärer Satellit in 36.000 Kilometern Höhe die Erde umkreist. Er ist dabei genauso schnell wie die Erdrotation und bleibt daher immer über derselben Stelle hoch über dem Äquator.
Die Animation hat im zweiten Teil gezeigt, wie ein Satellit die Erde in viel größerer Entfernung umkreist. Das ist zum Beispiel bei Wettersatelliten der Fall: Sie befinden sich nicht ein paar hundert Kilometer, sondern 36.000 Kilometer weit von der Erde entfernt. Dort kreisen sie genau so schnell um die Erde, wie sich unser Planet um seine eigene Achse dreht: in 24 Stunden einmal um die Erde herum. Der Satellit wandert also mit der Erdrotation mit und steht dabei praktisch immer über demselben Ort. Diese Satelliten werden als „geostationäre Satelliten“ bezeichnet. Und weil sich ein solcher Satellit immer exakt über derselben Stelle hoch über dem Äquator befindet, nimmt er logischerweise immer dieselbe Region der Erde auf. Das ist bei Wettersatelliten auch nötig: Denn ein Satellit, der das Wetter über Europa zeigen soll, darf natürlich nicht irgendwann über Australien oder Amerika herumkreisen.
Kameras und vieles mehr
Bei den Satelliten, die unseren Planeten im Blick haben, gibt es noch viele andere Unterschiede. Das betrifft vor allem die Instrumente, die sie an Bord haben. Man denkt ja erst einmal, dass Satelliten mit Kameras einfach so die Erde fotografieren. Früher war das tatsächlich so – und ganz am Anfang warf ein Satellit dann sogar die Filme ab, die von einem speziellen Flugzeug in der Luft aufgefangen und später entwickelt wurden. Heute geschieht das natürlich alles digital: Der Satellit nimmt Bilder auf, speichert sie im Bordrechner ab und funkt sie anschließend zur Erde, wenn er eine Antennenstation überfliegt. Dort werden die digitalen Daten in Bilder verwandelt, die von Fachleuten ausgewertet werden und die man sich oft auch in Online-Archiven im Internet ansehen kann.
Heutzutage zeigen viele Satellitenbilder selbst Einzelheiten wie Häuser oder sogar Autos – viel mehr als man früher auf Satellitenbildern erkennen konnte. Da hat die Technik in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Wie gut man da etwas erkennt, hängt immer davon ab, aus wievielen Bildpunkten sich ein Foto zusammensetzt. In der Fachsprache nennt man das die räumliche Auflösung. Außerdem sprechen Expertinnen und Experten auch von der zeitlichen Auflösung: Nimmt ein Wettersatellit die Erde nur einmal pro Stunde auf oder macht er alle paar Minuten ein neues Bild? Je kürzer die Abstände zwischen den Bildern sind, umso höher die zeitliche Auflösung – und umso besser.
Unsichtbare Strahlung wird sichtbar gemacht
Neben den „normalen“ Kameras kommen inzwischen auch ganz andere Instrumente zum Einsatz. Und die sehen nicht nur das, was wir mit unseren menschlichen Augen erkennen können. Klingt seltsam – ist auch etwas kompliziert. Aber stell es dir mal so vor: Sagen wir mal, dass da ein Ball in deinem Zimmer liegt. Du kannst ihn logischerweise nur sehen, wenn es in deinem Zimmer nicht gerade stockdunkel ist – sonst würdest du ja praktisch „null“ erkennen. Um etwas sehen zu können, brauchen wir also Licht – zum Beispiel eine Lampe oder die Sonne. Die Lichtstrahlen fallen auf den Ball und werden von ihm zurückgeworfen – man sagt auch „reflektiert“. Und so treffen die reflektierten Strahlen schließlich auf deine Augen. Ganz ähnlich wie in diesem Beispiel mit dem Ball sehen Astronautinnen und Astronauten auch die Erde, wenn sie unseren Planeten aus der Internationalen Raumstation ISS betrachten.
Doch das Sonnenlicht, das von der Erde reflektiert wird und das wir sehen können, ist längst nicht die einzige Strahlung, die es gibt. Wenn du mehr dazu wissen willst, ist hier mal wieder ein Link-Tipp für dich. Aber auch wenn du hier einfach weiterliest und nur mal an die UV-Strahlung denkst, wird ja sofort klar: Diese Art der Strahlung kann zwar auf unserer Haut einen Sonnenbrand erzeugen und muss daher ziemlich stark sein – aber sehen können wir diese UV-Strahlen nicht. Oder denk an die Wärmestrahlung, die von einer Heizung oder von der Sonne ausgeht: Die spürst du zwar, aber auch sie ist für unsere Augen unsichtbar. Außerdem gibt es noch viele andere unsichtbare Strahlungsarten wie zum Beispiel Röntgenstrahlung, Mikrowellenstrahlung, Radiostrahlung und so weiter.
Kurz und gut: Von allen Arten der Strahlung sehen wir mit unseren menschlichen Augen nur einen kleinen Teil. Dagegen nehmen zum Beispiel Insekten auch andere Strahlungsarten wahr. Und auch besondere technische Instrumente können unsichtbare Strahlungsarten aufnehmen. Genau solche Geräte befinden sich außer den „normalen“ Kameras an Bord von Satelliten. Übrigens: EnMAP, auf dem wir bei unserer Gedankenreise ja immer noch um die Erde sausen, kann da besonders viel erkennen. Moment! Wir zeigen dir das mal an einem Beispiel:
Wenn die Daten dieser speziellen Instrumente zur Erde gefunkt und in Bilder verwandelt werden, müssen sie natürlich für unsere Augen in sichtbare Farben verwandelt werden – sonst würden wir auf den Bildern nichts erkennen können. Deshalb werden die Bilder künstlich eingefärbt. Und weil die Fachleute dabei die wichtigsten Dinge besonders deutlich hervorheben wollen, damit man das auf einen Blick erkennt, verwenden sie Farben, die uns besonders auffallen. Das sind die sogenannten Falschfarben.
Auf diesen Falschfarbenbildern wird die Erde nicht so dargestellt, wie sie für uns in Wirklichkeit aussieht. Aber sie zeigen uns Dinge, die wir sonst nicht erkennen würden – etwa wo sich die Erde am stärksten durch den Klimawandel erwärmt, wie groß das Ozonloch ist oder wieviel Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre ist.
Durch Wolken hindurch und auch bei Nacht sehen
Noch mal ganz anders arbeiten Radarsatelliten: Sie senden Radarstrahlen aus, die auf die erdoberfläche treffen und von dort zum Satelliten zurückgeworfen werden. Aus der Zeit, die sie für diese Strecke brauchen, kann man ausrechnen, wie hoch oder tief das Gelände ist. Denn vom Satelliten bis zu einem hohen Berg ist der Weg des Signals ja kürzer als bis in ein tiefes Tal. Der Satellit misst auf Sekundenbruchteile genau, wie lange das Signal unterwegs ist – und aus den Daten, die erst einmal nur Zahlen sind, kann dann eine Landkarte erstellt werden. Und zwar nicht irgendeine normale Landkarte, sondern eine 3D-Karte mit Höhenangaben. So ist inzwischen die ganze Erdoberfläche supergenau vermessen worden: wichtige Infos zum Beispiel für den Bau von Straßen oder Staudämmen. Aber man kann damit auch herausfinden, wo Mobilfunk-Sendemasten oder Windräder am besten aufgestellt werden oder welche Küstengebiete in Gefahr sind, wenn der Meeresspiegel steigt. Und weil Radarstrahlen auch durch Wolken hindurchgehen, lässt sich so auch der Regenwald überwachen, um illegale Rodungen aufzuspüren. Außerdem können Radarsatelliten ihre Signale auch bei Dunkelheit senden und empfangen. Deshalb funktionieren sie auch, wenn es an den Polargebieten im Winter monatelang stockfinster ist. Anders als normale Kameras, die da nichts erkennen würden, können Radarsatelliten so in diesen Regionen der Erde rund um die Uhr die Eisbedeckung vermessen.
So, damit sind wir am Ende unserer Gedankenreise. Außer den erwähnten Beispielen gibt es natürlich noch unzählige andere Umweltfragen, bei denen uns die Erdbeobachtung mit Satelliten und die Atmosphärenforschung helfen. Und hinter all diesen Projekten stehen unzählige Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Hier stellen wir dir einige von ihnen in einem kurzen Video vor. Sie arbeiten im DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und du wirst sicher spüren, wie sehr sie sich für ihre Forschung begeistern. Film ab!
Quiz
Zum Schluss kannst du noch bei unserem Quiz mitmachen und einige Fragen beantworten. Mal sehen, ob wir alles gut verständlich erklärt haben, sodass du die richtigen Antworten kennst. Die Lösungen stehen hier – aber nicht gleich nachgucken, sonst macht das Quiz ja keinen Spaß mehr!
