Die für die Fernerkundung nutzbare Strahlung stammt von der Sonne, von einer künstlichen Strahlungsquelle, oder sie wird von den Bestandteilen der Atmosphäre und des Bodens emittiert. Die von dem System Erde-Atmosphäre zum Satelliten gelangende solare Strahlung, im Bereich zwischen rund 0,2 und 4,0 μm, wird hauptsächlich durch die Streu- und Reflexionseigenschaften des zu untersuchenden Materials bestimmt, bei einigen Wellenlängen aber auch durch die spektrale Absorption von Gasen beeinflusst. In den Spektralbereichen, in denen die Strahlung durch die Emission irdischer Materie entsteht, kann die Streuung weitgehend vernachlässigt werden. Die Fernerkundungsinformation beruht hier auf Absorptions- und Emissionsprozessen. Resultierend aus unterschiedlichen Eigenschaften von Atmosphäre und Boden – sowie der für die Messungen genutzten Technologien – wird dieser Spektralbereich in den terrestrischen, auch thermisch genannten Bereich (rund 4 bis 50 μm) und den Mikrowellen-Bereich (rund 3 mm bis 60 cm) getrennt. Bei „aktiv“ genannten Verfahren wird die verwendete Strahlung künstlich im Satelliten erzeugt, sowohl im solaren (Lidar) als auch im Mikrowellen-Bereich (Radar).
Peter Köpke
3 Was passiert mit der Strahlung bis zum Signal am Satelliten?
Elektromagnetische Strahlung wird von Materie emittiert, durch Kontakt mit Materie gestreut oder reflektiert und irgendwann wieder von Materie absorbiert. Bei der Satellitenmeteorologie wird Strahlung gemessen, das heißt Photonen werden von einem Detektor in einem Radiometer absorbiert und damit in ein interpretierbares Signal überführt. Aus unterschiedlicher Strahlungsintensität, also aus der unterschiedlichen Zahl von Photonen pro Zeit, kann darauf geschlossen werden, was diese auf ihrem Weg durch die Atmosphäre „erlebt” haben, und damit auf die Parameter, die sie beeinflusst haben.
Generell kann die Wechselwirkung des Strahlungsfeldes mit den Bestandteilen der Atmosphäre und des Bodens durch die Strahlungstransportgleichung (STG) beschrieben werden. Diese beinhaltet alle in der Atmosphäre und am Boden unter aktuellen Bedingungen vorkommenden Strahlungsprozesse und ist deshalb die Grundlage der Vorwärtsmodellierung, aber umgekehrt auch Grundlage für jede Invertierung. Die Prozesse, die elektromagnetische Strahlung beeinflussen, werden in diesem Kapitel besprochen.
3.1 Extinktionsgesetz
3.1.1 Extinktionskoeffizient und Transmission
Die Strahlung, die als Strahldichte von einem Satellitenradiometer gemessen wird, hat eine lange Vorgeschichte. Sie wurde auf ihrem Weg geschwächt, aber auch verstärkt. Die Schwächung auf ihrem Weg durch die Atmosphäre in Richtung zum Radiometer beruht auf Absorption und darauf, dass Strahlung aus der Beobachtungsrichtung herausgestreut wird, wie in Abbildung 3.1 gezeigt. Die Schwächung durch beide Prozesse zusammen heißt Extinktion, sie wird durch den Extinktionskoeffizienten σext beschrieben.
Abb. 3.1
Änderung einer Strahldichte L0 zur Strahldichte L auf dem Weg ds durch Streuung und Absorption.
Das Gesetz, das die Schwächung einer Strahldichte beim Durchgang durch Materie auf dem Weg ds beschreibt (Gl. 3.1), wird als Bouguer-Lambert – Gesetz, manchmal auch als Lambert-Beer – Gesetz bezeichnet, entsprechend den verschiedenen Wissenschaftlern, die bei seiner Erforschung beteiligt waren. Dabei ist L0 die ankommende Strahldichte, die auf ein extingierendes Material trifft, und L die Strahldichte nach dem Durchgang durch das streuende und absorbierende Medium.
Die Strahlung wird exponentiell geschwächt, proportional zu der Länge des Wegs ds, auf dem die Schwächung stattfindet, und zu dem Extinktionskoeffizienten σext, der die Eigenschaften des schwächenden Mediums wiedergibt und die Dimension 1/Länge haben muss. Dies ist nötig, damit der Exponent dimensionslos wird. Falls die Menge des schwächenden Materials in einer anderen Dimension gegeben ist, zum Beispiel Masse pro Volumen, muss entsprechend umgerechnet werden. Im Zusammenhang mit der Satellitenmeteorologie kann das Medium, für welches das Bouguer-Lambert-Gesetz gilt, nur ein Gas und im Raum verteilte Partikel sein, da durch eine Schicht mit fester Materie keine Strahlung hindurchgehen würde.
Die Schwächung von Strahlung auf einem Weg durch ein Volumen mit streuendem Material kann bei jedem wolkenlosen Sonnenuntergang beobachtet werden. Die Abnahme der Helligkeit der Sonnenscheibe mit sinkender Sonne resultiert aus der dabei zunehmenden Länge des Wegs durch die Atmosphäre und damit geringer werdender Transmission. Die dabei stattfindende Änderung der Farbe der Sonne in Richtung rot, d.h. zu längeren Wellenlängen, beruht auf der starken Abnahme des Streukoeffizienten der Luftmoleküle mit zunehmender Wellenlänge. Dieser Effekt verändert die spektrale Transmission bei langen Wegen stärker als bei kurzen (Gl. 3.1).
Das Verhältnis zwischen durchgehender und einfallender Strahlung wird als Transmission T bezeichnet.
Die Transmission wird durch den Exponentialterm in Gl. 3.1 bestimmt und kann so aus den Eigenschaften der Materie sowie der Länge des Wegs berechnet werden. Sie hat Werte zwischen 1, gleichbedeutend mit gar keiner Schwächung, und 0, wenn L = 0 ist, die Schwächung also so stark ist, dass keine Strahlung durch das Medium hindurchkommt.
3.1.2 Absorptions- und Streukoeffizient
Die Wirkungen von Absorption und Streuung, die im Begriff Extinktion zusammengefasst sind, sind ganz unterschiedlich, wenn nicht nur die Schwächung der Strahlung sondern auch die Prozesse beachtet werden, die zu einer Verstärkung der Strahldichte am Satelliten führen. Statt des Extinktionskoeffizienten wird deshalb bei Strahlungsmodellierung getrennt der Absorptions- (σabs) und der Streukoeffizient (σstr) berücksichtigt, die als Summe den Extinktionskoeffizienten ergeben:
Wie gesagt, ist für die Schwächung der Strahlung, die mit dem Bouguer-Lambert-Gesetz beschrieben wird, die Extinktion verantwortlich, also der Gesamteffekt durch Streuung und Absorption. Das kann praktisch gezeigt werden mittels zweier transparenter Glasschalen, die eine gefüllt mit Tusche und die andere mit Milch, die auf einen Overheadprojektor stehen (Abb. 3.2). Beide Flüssigkeiten lassen von dem Licht des Projektors nach oben fast nichts hindurch. Die sich ergebende geringe Transmission ist bei beiden Flüssigkeiten gleich, die Ursache ist aber verschieden: Im Fall der Milch wird die Extinktion in erster Linie durch Streuung hervorgerufen und im Fall der Tusche durch Absorption.
Abb. 3.2
Tusche und Milch: gleiche Transmission, aber unterschiedliche Absorption und Streuung.
Wenn verschiedene Substanzen gleichzeitig in einem durchstrahlten Volumen vorhanden sind, wie das in der Atmosphäre immer der Fall ist, so addieren sich deren Absorptions- und Streukoeffizienten und damit auch die Extinktionskoeffizienten (Gl. 3.4). Dies gilt für jede Wellenlänge, sodass die spektralen Unterschiede verschiedener Substanzen zwar überlagert werden, aber prinzipiell erhalten bleiben.
Die Streu- und Absorptionskoeffizienten sind abhängig von der Menge und Art der im Volumen enthaltenen Substanzen, i, wie verschiedene Gase, Aerosolteilchen und Wolkentröpfchen. Wie bereits gesagt, müssen für die saubere Modellierung eines Strahlungsfeldes (Vorwärtsrechnung) die Menge, Eigenschaften und Verteilung aller Substanzen bekannt sein. Umgekehrt ergibt die Abhängigkeit des Strahlungsfelds von den Substanzen die Möglichkeit