EarthCARE erforscht Wolken und Aerosole

“Go Falcon 9, go EarthCARE!” Mit diesen Worten verabschiedete SpaceX Mission-Control die Rakete, die vom Launchpad SLC-4E der Vandenberg Space Force Base startete. Gut zehn Minuten später befand sich die Zweitstufe bereits in rund 400 Kilometern Höhe – und damit so gut wie am Ziel. Zehn Minuten und 45 Sekunden nach dem Start wurde die erfolgreiche Trennung des Satelliten von der Zweitstufe bestätigt.

Obwohl es zu dieser Zeit in Deutschland bereits eine halbe Stunde nach Mitternacht war, brandete in Darmstadt Applaus auf. Denn das hier ansässige Europäische Raumfahrtkontrollzentrum (European Space Operations Centre, ESOC) der ESA ist für den Betrieb des Satelliten, die Kontrolle der Umlaufbahn und die Wartung der Software an Bord zuständig. Eine Aufgabe, die per se eine Menge Verantwortung mit sich bringt. Umso mehr, als dass es sich bei EarthCARE um den komplexesten Satelliten in der Reihe der Earth Explorer-Missionen handelt.

Dem Geheimnis der Strahlungsbilanz auf der Spur

Das liegt nicht zuletzt an den vier Instrumenten des insgesamt 2,2 Tonnen schweren Satelliten. Um die Mission – die Geheimnisse der Wolken und Aerosole zu lüften – zu erfüllen, legten sich die beteiligten Wissenschaftler:innen mächtig ins Zeug. An Bord des Cloud Aerosol Radiation Explorer befinden sich daher ein Atmosphärisches Lidar, ein Wolkenprofil-Radar, ein Multispektralbildgeber sowie ein Breitband-Radiometer. In den kommenden drei Jahren sollen sie in einem sonnensynchronen Orbit ein ganzheitliches Bild des Zusammenspiels von Wolken, Aerosolen und Strahlung ermöglichen.

Denn obwohl die Klimaforschung in den letzten Jahren signifikante Fortschritte erzielt hat, bleiben viele Fragen offen. Klar ist, dass das Klima die Wolkenbildung beeinflusst und Wolken wiederum auf das Klima einwirken. Dabei werfen dünne Wolken in den höheren Schichten der Atmosphäre Infrarotstrahlung zur Erde zurück, wodurch es wärmer wird. Dickere Wolken in den tieferen Schichten hingegen reflektieren Strahlung von oben und sorgen so für Abkühlung.

Mit dem fortdauernden Klimawandel wird sich das gegenwärtige Gleichgewicht jedoch verändern. Zum einen, weil warme Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann als kühle und somit tendenziell weniger Wolken in den unteren Bereichen der Atmosphäre entstehen. Zum anderen, weil sich in der Folge mehr Wolken in den oberen atmosphärischen Schichten bilden und der Rückstrahleffekt verstärkt wird. Eine weitere Rolle spielen Aerosole, zum Beispiel Staub. Dass dieser seinen Ursprung nicht zwingend vor Ort haben muss, zeigte sich unter anderem zu Ostern 2024. Damals gelangte Staub aus der Sahara bis nach Deutschland und trübte die Atmosphäre auch hierzulande deutlich.

EarthCARE vermisst die Atmosphäre mit Hightech-Instrumenten

Atmosphärisches Lidar (Light Detection and Ranging)

Allein dieses Instrument bringt eine halbe Tonne auf die Waage. Aus einer eigenen Lichtquelle wird ein für das menschliche Auge unsichtbarer Laserstrahl mit ultravioletter Wellenlänge ausgesendet. Für das Senden und Empfangen der Laserstrahlen – aus deren Differenz sich Profile errechnen lassen – werden zwei getrennte Optiken verwendet. Um aus rund 400 Kilometern Höhe Wolken genau vermessen zu können, benötigt das Lidar entsprechend Energie: Fast 500 Watt sind für die Erzeugung des Hochleistungslaserstrahls nötig.

Wolkenprofil-Radar

Um sich auch ein Blick vom Inneren der Wolken verschaffen zu können, steuerte die Japanische Raumfahrtagentur JAXA ein Wolkenprofil-Radar bei. Das System benötigt zum Senden der Radarpulse 300 Watt, die dann in einem Hochleistungssender auf mehr als 1,5 kW verstärkt werden. Der Empfänger sammelt die Echos von Wolken sowie dem Boden und wandelt diese in ein Zwischenfrequenzsignal um. Mit Hilfe der gemessenen Laufzeit des empfangenen Echos lässt sich dann die Höhe berechnen, in der es in der Atmosphäre erzeugt wurde. Besonders eindrucksvoll ist die Kalibrierung von EarthCARE. Dazu wird monatlich ein Rollmanöver über der Meeresoberfläche durchgeführt.

Multispektralbildgeber

Der multispektrale Imager nimmt hochauflösende Bilder in mehreren Spektralbändern des sichtbaren und infraroten Spektrums auf. Bei einer Schwadbreite – also der pro Überflug erfasste Oberflächenbereich – von 150 Kilometern liegt die Auflösung der Bilder bei 500 Metern pro Pixel. Die insgesamt sieben Kanäle verteilen sich auf je einen im sichtbaren und nahe Infrarot-Bereich, zwei im kurzwelligen und drei im thermischen Infrarot. Diese ermöglichen es den Wissenschaftler:innen, zwischen verschiedenen Arten von Wolken, Aerosolen und der Erdoberfläche zu unterscheiden. Weil der Imager zusätzliche Informationen über die optischen Eigenschaften von Wolken und Aerosolen liefert, hilft er, deren Zusammensetzung und Verteilung zu charakterisieren. Unter Verwendung der Lidar- und Radardaten lassen sich schließlich dreidimensionale Wolken- und Aerosolfelder erstellen. Für gleichbleibend hohe Qualität der Messdaten werden auch die Kameras des Imagers regelmäßig kalibriert.

Breitband-Radiometer

Kernelement von EarthCARE ist das Breitband-Radiometer. Es liefert genaue Messungen der reflektierten Sonnen- und der emittierten Wärmestrahlung, die dann mit den Daten des Wolkenprofil-Radars und des atmosphärischen Lidars abgeglichen werden. Um die Strahlungsmessungen in Werte für den Strahlungsfluss umzuwandeln, misst das Instrument jede Szene aus drei Richtungen. Dafür ist ein Teleskop direkt auf den Nadir – sprich die dem Zenit entgegengesetzte Richtung, quasi das Lot – ausgerichtet. Zusätzlich verwendet das Radiometer ein vorwärts und ein rückwärts gerichtetes Teleskop, so dass es jede Szene aus drei Richtungen abtasten kann, während der Satellit darüber fliegt.

Internationale Zusammenarbeit für die Klimaforschung

Der hohe Stellenwert dieser ESA-Mission wird auch bei einem Blick auf den Zeitplan deutlich. Bereits auf der ILA 2008 fand die Vertragsunterzeichnung mit Astrium (heute Airbus Defence and Space) statt. Als Hauptauftragnehmer führte das in Friedrichshafen ansässige Unternehmen 75 weitere internationale Unternehmen. Seine Wurzeln hat der Satellit in den Niederlanden, dem Hauptsitz des ESTEC (European Space Research and Technology Centre). Das Vereinigte Königreich war maßgeblich an der Entwicklung des Multispektral-Imagers (unter Führung von Surrey Satellite Technology Limited, UK) sowie des Breitband-Radiometers (unter Führung von Thales, Frankreich) beteiligt.

Keine Forschung ohne Daten

Das ESOC in Darmstadt erhält seine Daten von Bodenstationen in Kiruna (Schweden), von der “North Pole Satellite Station” in Alaska (USA) sowie der norwegischen Forschungsstation “Troll” in der Antarktis. Die wissenschaftlichen Daten von EarthCARE werden über einen Downlink sowohl in Kiruna als auch von der “Inuvik ground station” in Kanada empfangen. Diese werden dann am Centre for Earth Observation in Frascati (Italien) verarbeitet und archiviert. Zudem ist das ESRIN (European Space Research Institute) für den Transfer der Daten zu Nutzenden sowie zur JAXA zuständig. Die japanische Raumfahrtagentur steuerte nicht nur das Wolkenprofil-Radar bei, sondern lieferte auch wissenschaftlichen Input zur Mission.

EarthCARE ist Hakuryu – der “Weiße Drache”

Da japanische Satelliten traditionell Spitznamen zu ihrer wissenschaftlichen Bezeichnung erhalten, wird EarthCARE auch “Hakuryu” genannt. Dies lässt sich mit “weißer Drache” übersetzen und entstammt dem charakteristische Aussehen des Satelliten, dessen weißer Körper und Solarpanel einem langen Schwanz ähneln. Zudem sind Drachen in der japanischen Mythologie uralte und göttliche Wesen, die das Wasser beherrschen und durch den Himmel fliegen. Außerdem fällt das Startjahr von EarthCARE (2024) mit dem Jahr des Drachen im japanischen Tierkreis zusammen.

EarthCARE sendet erste Lebenszeichen, wissenschaftliche Daten kommen später

Nach dem erfolgreichen Einschuss in die Umlaufbahn wird der Satellit nun langsam zum Leben erweckt. Erste Signale über seinen Zustand sendete er bereits kurz nach dem Start. Doch bis alle Instrumente vollständig einsatzbereit sind und Forschende die von EarthCARE erhobenen Daten nutzen können, dauert es noch eine Weile. Jedoch lohnt es sich, ein paar Monate Geduld zu haben. Denn mit einem besseren Verständnis über Wolken und Aerosole sowie ihrer Rolle im komplexen Klimazusammenspiel lassen sich zukünftig bessere Wettervorhersagen treffen. Damit könnten Flutkatastrophen, wie sie im Juli 2021 das Ahrtal trafen, zwar nicht verhindert werden. Eine frühzeitige Warnung könnte allerdings dazu beitragen, dass sie weit weniger verheerende Folgen für Menschen haben. Doch auch im globalen Kontext sind präzise Daten für den Umgang mit den Folgen des Klimawandels unverzichtbar. Es bleibt daher zu hoffen, dass der “Cloud Aerosol Radiation Explorer” nicht nur kurzfristig für Begeisterung sorgt.