G3OS

Engl. Akronym für (Three) Global Observing Systems; zusammenfassendes Kürzel für die drei globalen Umweltbeobachtungsprogramme GCOS, GOOS, GTOS der UN-Organisationen UNESCO, UNEP und WMO.

GAF

Akronym für Gesellschaft für angewandte Fernerkundung; die GAF AG wurde 1985 als erste deutsche Firma für angewandte Fernerkundung mit Sitz in München gegründet und ist heute einer der größten europäischen Geoinformationsdienstleister und bedeutendster Vertreiber kommerzieller Erdbeobachtungsdaten im deutschsprachigen Raum. Mit ihren 200 Mitarbeitern verfügt die GAF über ein umfassendes Service-Portfolio zur Bereitstellung und Analyse von Fernerkundungs- und Geodaten, GIS-, Datenbank- und Software-Entwicklungen sowie der Umweltüberwachung, Monitoring und Kartierung von natürlichen Ressourcen und kritischen Infrastrukturen, Dienstleistung im Sicherheitsbereich und im internationalen Consulting.

Mit erfolgreichen Projekten für nationale Behörden, EU, ESA, EEA, Weltbank und andere internationalen Einrichtungen sowie kommerzielle Kunden in über 100 Ländern Europas, Afrikas, Asiens und Südamerikas verfügt die GAF über eine ausgeprägte internationale Erfahrung. Ein Schwerpunkt der europäischen Aktivitäten ist das Copernicus Programm, in dem die GAF seit 2003 in Projekten wie GSE Forest Monitoring, GIO-Land, GIO Emergency Management, GIO User Uptake, obsAIRve, geoland2, Riparian, u.v.m. federführend oder beteiligt ist.

Der GAF hat sich von einem kleinen Satelliten-Fernerkundungs-Startup zu einem angesehenen Anbieter von Geoinformationsdiensten entwickelt. Gegründet wurde die GAF im Jahr 1985 von Dr. Rupert Haydn, der Agrar- und Hydrotechnik (AHT) GmbH und dem Wittelsbacher Treuhandfonds Bayern. Seit 2003 ist die GAF Teil der Telespazio-Gruppe, einem Unternehmen von Leonardo S.p.A. (67 %) und Thales S.A. (33 %), die zusammen mehr als 3000 Mitarbeiter in Deutschland beschäftigen.

Weitere Informationen:

• GAF AG - Startseite

GAIA

Wissenschaftliche Mission der ESA zur Astrometrie, mit der rund 1 Prozent der Sterne unserer Milchstraße astrometrisch, photometrisch und spektroskopisch mit sehr hoher Präzision vermessen werden soll. Das Ziel von GAIA ist die dreidimensionale Kartierung der Sterne unserer Galaxis. Diese Mission wird die wissenschaftlichen und technischen Erfahrungen der Hipparcos-Mission der ESA in den 1980er Jahren nutzen, die einhunderttausend Sterne mit hoher Präzision und über eine Million Sterne mit geringerer Genauigkeit katalogisierte. Die von Gaia gesammelten Messdaten werden es den Astronomen erlauben, besser als jemals zuvor zu verstehen, wo, wann und wie die Sterne entstanden sind und wie sie ihre Umgebung mit Materie anreichern, wenn sie sterben. Gaia wird mit bisher unerreichter Genauigkeit die Entfernungen (Parallaxen) und Bewegungen (Eigenbewegungen, Radialgeschwindigkeiten) von ungefähr einer Milliarde Sternen bestimmen, was den Astronomen ein klareres Bild von der Struktur und der Entwicklung unseres Milchstraßensystems geben wird. Man rechnet mit der Entdeckung Hunderttausender neuer Himmelskörper, wie z. B. extrasolarer Planeten und „gescheiterter Sterne“, so genannter Brauner Zwerge, ferner Supernovae und Quasare. Auch wird GAIA nach Hinweisen auf die Verteilung der mysteriösen Dunklen Materie suchen.

Ein zusätzlicher wissenschaftlicher Nutzen besteht in der Erkennung und Klassifizierung Zehntausender extrasolarer Planetensysteme sowie in der detaillierten Erfassung von Objekten. Hierzu gehören gigantische Mengen kleinerer Körper innerhalb unseres Sonnensystems, unsere Nachbargalaxien sowie etwa 10 Mio. Galaxien und 500.000 entfernte Quasare. Neben der Zusammensetzung unserer Milchstraße wollen die Wissenschaftler mit Gaia auch Wechselwirkungen mit anderen Galaxien wie den Magellanschen Wolken oder dem Andromeda-Nebel erforschen. Ferner sollen beweiskräftige neue Tests zur allgemeinen Relativität durchgeführt werden.

Astrometrie-Sonde Gaia vor dem Band der Milchstraße Quelle: DLR

GAIA wurde von Astrium gebaut und am 19. Dezember 2013 mit einer Sojus-Rakete von Kourou aus gestartet. GAIA befindet sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne in 1,5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde und ist auf dem Lagrange-Punkt L2 stationiert, einem der fünf Lagrange-Punkt in unserem Sonne-Erdsystem. Lagrange-Punkte sind Gleichgewichtspunkte in unserem Sonnensystem, an denen sich Körper wie beispielsweise Satelliten, fest und vollkommen stabil im Weltraum positionieren lassen. Diese Punkte sind für Weltraummissionen zu astronomischen Observationszwecken von großer Bedeutung, da diese eine sehr hohe Richtstabilität erfordern.

Ursprünglich war das Missionsende für den 25. Juli 2019 vorgesehen, es wurde aber inzwischen auf 2023/24 verschoben.

Der Name Gaia leitet sich ab von dem Akronym für „Globales Astrometrisches Interferometer für die Astrophysik“. Er kennzeichnet die ursprünglich für dieses Teleskop geplante Technik der optischen Interferometrie. Inzwischen hat sich zwar das Messprinzip geändert, sodass das Akronym nicht mehr zutrifft. Trotzdem bleibt es bei dem Namen Gaia, um die Kontinuität in dem Projekt zu gewährleisten.

Gaia teilt sich in ein Nutzlast- und ein Servicemodul auf. Das Nutzlastmodul besteht aus zwei Teleskopen und drei Instrumenten. Das Servicemodul enthält das Antriebssystem und die Kommunikationssysteme.

Das Weltraumobservatorium ist über zwei Tonnen schwer, rund drei Meter groß und verfügt über zwei hochpräzise Teleskope und eine Kamera mit 106 einzelnen lichtempfindlichen CCD-Sensoren, die zusammengesetzt das bislang größte Focal-Plane-Array im Weltraum bilden. So sind auf einer Fläche von 0,38 m² knapp eine Milliarde Pixel zu finden. Das Observatorium beobachtet in jedem seiner zwei "Gesichtsfelder" im Schnitt 250 Sterne pro Sekunde. Insgesamt entsteht ein Datenberg von 1 Petabyte, das entspricht dem Speichervolumen von 200.000 DVDs. Die Messgenauigkeit der Sternpositionen für die hellsten Sterne ist dabei mit 10 bis 20 Mikrobogensekunden bis zu 100mal höher als bei der Vorläufer-Mission Hipparcos und entspricht der Auflösung einer Euro-Münze auf dem Mond. Zusammen mit der Erde soll Gaia die Sonne im Erdschatten zirka fünf Jahre lang umrunden und kontinuierlich messen.

Das Licht wird von zwei Teleskopen auf das Focal-Plane-Array gelenkt, auf denen zwei Primärspiegel im Winkel von 106,5°C zueinander montiert sind, die für ein großes Blickfeld sorgen. Trotz der geringen Abmessungen des Raumfahrzeugs – das Nutzlastmodul misst im Durchmesser 3,5 Meter – beträgt die effektive Brennweite der beiden Teleskope 35 Meter. Dahinter steckt eine raffinierte Methode, mit der das gebündelte Licht durch zehn Spiegel unterschiedlicher Größe und Form geleitet wird. Auf diese Weise kann Gaia Objekte „sehen“, die 400.000-mal schwächer leuchten als vom menschlichen Auge erkennbare Körper. Pro Tag beobachtet Gaia durchschnittlich 850 Millionen Objekte und sammelt dabei rund 20 Gigabyte an Daten.

Mit den Daten von Gaias drei Bordinstrumenten für astrometrische, photometrische bzw. spektroskopische Messungen soll jeder kartierte Stern mit einer Fehlertoleranz von gerade einmal sechs Mikrobogensekunden lokalisiert werden. Dies entspricht, von der Erde aus betrachtet, einer etwa pfenniggroßen Münze auf dem Mond.

Eine extreme Stabilität ist ausschlaggebend für derart genaue Beobachtungen und war daher entscheidend in der Werkstofffrage: Astriums entschied sich für Siliziumcarbid (SiC), ein keramisches Material zweimal so steif wie Stahl, ultraleicht und bemerkenswert widerstandsfähig gegen Ausdehnung und Kontraktion bei Temperaturveränderungen. SiC ist das einzige Material, das ein stabiles und leichtes Raumfahrzeug mit hoher Lebensdauerermöglicht; Gaia wird das größte Weltrauminstrument aus Keramik sein, das jemals zum Einsatz kam. Die SiC-Technologie wird bereits bei Herschel und Aladin, ebenso wie auf drei Erdbeobachtungssatelliten (Formosat, Theos und Alsat-2) genutzt.

Zum Schutz gegen Vibrationen weist der Satellit praktisch keinerlei bewegliche Bauteile auf, sogar seine Antenne zur Kommunikation mit der Erde wird elektronisch statt mechanisch ausgerichtet. Da der übliche chemische Antrieb somit ausschied, wurde eigens für diese Mission zur genauen Lageregelung ein komplett neues, stickstoffbetriebenes Kaltgas-Triebwerk mit Mikroschubdüsen entwickelt, dessen Kraft sich im Mikronewton-Bereich bewegt. Würde man damit ein Blatt Papier tragen wollen, bräuchte man 1.000 dieser Mini-Triebwerke.

GAIA - Relativität auf dem Prüfstand

Die Gaia-Mission wurde 1993 vom schwedischen Astronom Lennart Lindegren der Universität Lund vorgeschlagen. Als einer der weltweit bedeutendsten Astronomie-Experten betont Lindegren, dass Gaia zudem Einsteins Relativitätstheorie, der zufolge Materie die Raum-Zeit-Krümmung bedingt, mit bislang ungekannter Präzision belegen wird. Selbst Lichtstrahlen werden gekrümmt, wenn sie auf Festkörper wie die Sonne treffen.

„Gaia wird dieses Phänomen genauer als je zuvor erfassen und außerdem die Ablenkung von Lichtstrahlen durch den Jupiter, die Erde und andere Planeten beobachten“, so Lindegren. „Wir hoffen, dass diese Messdaten Einsteins allgemeine Relativitätstheorie und somit auch unser gegenwärtiges Verständnis der Raumzeit bestätigen."

GAIA vermisst die Milchstraße Quelle: Airbus D&S

Weitere Informationen:

• ESA's 'billion-pixel' camera (esa bulletin 137, 2009)
• ESA’s Billion-Star Surveyor (esa bulletin 155, 2013)
• Gaia - Eine stereoskopische Vermessung unserer Galaxis (ESA 2006)
• Gaia - Startseite (ESA)
• Gaia - ESA's Galactic Census (ESA)
• Gaia - Die Vermessung der Milchstraße (DLR)

Galactic Radiation and Background (GRAB)

Dt. Galaktische Strahlung und Hintergrund; Bezeichnung für die erste Serie von US-Spionagesatelliten zur elektronischen Aufklärung (ELINT) über die Möglichkeiten der Sowjets, Flugzeuge und ballistische Raketen per Radar zu verfolgen. Zur Tarnung trugen sie auch eine wissenschaftliche Nutzlast zur Messung der Sonnenstrahlung, weswegen die Satelliten offiziell die Bezeichnung Galactic Energy Balance-Experiment (Greb-E) und später SolRad (für Solar Radiation) erhielten. Das erste Exemplar startete am 22. Juni 1960 auf eine kreisförmige polare Bahn in 805 km Höhe. Von vier weiteren GRAB-Starts war nur einer erfolgreich.

Die 19 kg schweren GRAB-Satelliten, welche von 1958 bis 1960 vom Naval Research Laboratory (NRL) unter dem Codenamen Tattletale („Klatschbase“) entwickelt wurden, besaßen eine Kugelgestalt mit einem Durchmesser von 51 cm. Die genauen Spezifikationen der ELINT-Nutzlast sind unbekannt, allerdings muss sie aufgrund der vorhandenen sowjetischen Radare mindestens in einem Frequenzbereich um 3 GHz gearbeitet haben. Aufgefangene Signale der sowjetischen Radarverteidigung wurden ohne Zwischenspeicherung direkt an eine Reihe von sehr kleinen, getarnten Bodenstationen in Übersee weitergeleitet, wo sie auf Magnetbänder gespeichert wurden. Anschließend wurden diese per Flugzeug zum Naval Research Laboratory gebracht, wo sie dann zum ersten Mal ausgewertet wurden. Zur weiteren Analyse wurden die Bänder dann zur National Security Agency (NSA) oder zum Strategic Air Command (SAC) gebracht.

Die Verarbeitung der Daten lieferte wichtige Informationen über den Standort der Radarsysteme, ihre Art, ihren Frequenzbereich und ihr Bedrohungspotenzial für westliche Flugzeuge und Raketen. Nach Ende des Programms wurden Satelliten der Poppy-Serie zur ELINT-Aufklärung verwendet.

Weitere Informationen:

• Galactic Radiation Background Experiment (GRAB) -- The World's First Reconnaissance Satellite (NRL)

Galileo (Raumsondenmission)

Bezeichnung für die Raumsondenmission der NASA zum Jupiter. Die Raumsonde wurde 1989 vom Space Shuttle Atlantis ausgesetzt, reiste 6 Jahre durch das Sonnensystem zum Jupiter, umkreiste ihn nahezu 8 Jahre lang und verglühte am 21. September 2003 in seiner dichten Atmosphäre. Insgesamt legte sie 4.631.778.000 km zurück.

Galileo bestand aus einem Orbiter und einer von ihm abtrennbaren Eintauchsonde (Jupiter Orbiter Probe), die 1995, kurz nach Erreichen einer Umlaufbahn um den Saturn in dessen Atmosphäre eindrang, Messungen vornahm und programmgemäß verglühte.

Galileo-Raumsonde über dem Jupiter Quelle: NASA

Die zehn Instrumente von Galileo lieferten hochaufgelöste Oberflächenbilder und darüber hinaus eine Vielfalt neuer Erkenntnisse. Man versteht den differenzierten Aufbau und die unterschiedliche Entwicklung der Eismonde Europa, Ganymed und Callisto wesentlich besser als nach den Vorbeiflügen von Voyager. Unter den eisigen Oberflächen der Monde Europa, Ganymed und möglicherweise auch Callisto wurden salzige Wasserozeane entdeckt, verbunden mit Spekulationen über mögliche einfache Lebensformen in diesen Meeren. Ferner stellte man bei dem größten Jupitermond Ganymed ein eigenes Magnetfeld fest. Galileo bestätigte, dass Io der vulkanisch aktivste Mond im Sonnensystem ist und sein silikatisch-schwefeliger Vulkanismus so heiß ist, wie es auf der Erde vor zwei bis drei Milliarden Jahren der Fall gewesen sein könnte.

Galileo-Raumsondemit Jupiter und seinen Monden Bildergalerie der Galileo-Mission, auf NASA-Seite anklickbar Quelle: NASA

Das Bild unten entstand mit Hilfe der drei Wellenlängenbereiche im Nahen Infrarot der bildgebenden Kamera auf Galileo (756 nm, 727 nm und 889 nm, wiedergegeben als rot, grün und blau). Sie zeigen die unterschiedliche Höhe und Mächtigkeit der Wolken. Hellblaue Wolken sind hoch und dünn, rötliche Wolken sind tiefliegend, und weiße Wolken sind hoch und dick. Die Wolken und der Dunst über den Weißen Ovalen sind hoch und reichen bis in die Stratosphäre des Jupiter. Über der zyklonalen Struktur fehlt der hochliegende Dunst. Dunkles Purpur repräsentiert wahrscheinlich hochliegenden Dunst, der über einer tieferen klaren Atmosphärenschicht liegt. Galileo ist das erste Raumfahrzeug, das Wolkenschichten auf Jupiter unterscheiden kann.

Ovale Wolkensysteme dieser Art sind oft verbunden mit chaotischen zyklonalen Systemen wie hier der ballonförmige Wirbel, den man zwischen den gut ausgebildeten Ovalen sieht. Das Zentrum dieses Systems liegt bei 30° S und 100° W, und es rotiert im Uhrzeigersinn um sein Zentrum. Die ovalen Wirbel in der oberen Hälfte des Bildes sind zwei der langlebigen Weißen Ovale, die sich südlich des Roten Flecks in den dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts bildeten, und die wie der Rote Fleck gegen den Uhrzeigersinn rotieren. Die O-W-Erstreckung des linken Weißen Ovals beträgt 9.000 km. Die Weißen Ovale treiben relativ zueinander in longitudinaler Richtung und beengen zum Aufnahmezeitpunkt die zyklonale Struktur.

Dieses und weitere Bilder wurden am 19. Februar 1997 aus einer Entfernung von 1,1 Mill. km aufgenommen mit Hilfe des Systems Solid State Imaging (CCD) an Bord des Galileo-Raumfahrzeugs.

Jupiters langlebige Weiße Ovale in Falschfarbendarstellung Quelle: NASA

Weitere Informationen:

• Galileo, Journey to Jupiter - Startseite (NASA)

Galileo (Satellitennavigationssystem)

Im Aufbau befindliches europäisches Satellitennavigations- und Positionsbestimmungssystem. Dieses Navigationssystem wurde nach einer gemeinsamen Initiative der Europäischen Union mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) entwickelt und finanziert. Galileo soll in den Sektoren Verkehrswesen, soziale Einrichtungen, Justiz und Zoll, Bauwesen, Not- und Rettungsdienste oder in Freizeitsektoren eingesetzt werden. Ursprünglich wurde Galileo nur für zivile Zwecke konzipiert und unterliegt, anders als das US-amerikanische NAVSTAR-GPS, das russische GLONASS und das chinesischen BeiDou, nicht einer nationalen militärischen Kontrolle. Galileo wird aber, durch die vom Europäischen Parlament im Juli 2008 verabschiedete Entschließung zu den Themen Weltraum und Sicherheit, für Operationen im Rahmen Gemeinsamen Sicherheits- und Verteidigungspolitik (GSVP) „zur Verfügung stehen“.

Hierfür gibt es ein verschlüsseltes und schwerer zu störendes Signal, das unter der Bezeichnung PRS, für "Public Regulated Service" geführt wird. Die Europäische Union stellt dieses System auch den Sicherheitsbehörden wie der Polizei, den Küstenwachen und Feuerwehren sowie den Rettungsdiensten zur Verfügung. Ebenso wird es durch die jeweiligen Regierungen autorisierten Betreibern sensibler Sicherheitsinfrastruktur zur Verfügung gestellt.

Die technische Beteiligung an PRS obliegt Firmen in den Mitgliedstaaten der Europäischen Union. Drittstaaten sind ausgeschlossen. Anfang 2018 gab die EU bekannt, Großbritannien nach dem EU-Austritt des Vereinigten Königreichs vom Galileo-Projekt auszuschließen, da die EU keine sensiblen Daten mit Staaten teile, die nicht der EU angehörten. Am 2. Dezember 2018 kündigte Premierministerin Theresa May an, dass sich Großbritannien aus dem militärischen Teil des Satellitenkommunikationssystems Galileo PRS zurückziehen werde, da britische Unternehmen infolge des Austritts aus der Europäischen Union (EU) nach Angaben der Europäischen Kommission nicht mehr beteiligt werden. Es gebe Planungen für eine Zusammenarbeit mit Australien, Neuseeland und möglicherweise Kanada für ein eigenes Navigationssystem.

Die Vereinigten Staaten standen Galileo zunächst skeptisch gegenüber, vor allem im Hinblick auf die Gefahren einer unkontrollierten militärischen Nutzung. Nachdem Bedenken bezüglich einer technischen Beeinflussung des NAVSTAR-GPS-Systems ausgeräumt wurden, sind oder waren die USA bestrebt, Zugang zum militärischen Dienst von Galileo (PRS) zu erhalten. Galileo ist mit GPS und GLONASS interoperabel..

Folgende Staaten außerhalb der Europäischen Union beteiligen sich ebenfalls: China, Indien, Israel, Marokko, Saudi-Arabien, Schweiz, Norwegen, Südkorea, Ukraine. Weitere Staaten verhandeln über eine Teilnahme. Die USA standen und stehen Galileo skeptisch gegenüber, vor allem im Hinblick auf die Gefahren einer unkontrollierten militärischen Nutzung. Bedenken bezüglich einer technischen Beeinflussung des NAVSTAR-GPS-Systems konnten inzwischen ausgeräumt werden.

Infografik: Galileo in Space Quelle: ESA

Grundlagen

Galileo basiert im Endausbau auf 30 Satelliten (27 plus drei Ersatz), die die Erde in einer Höhe von etwa 23.260 km mit 3,6 km/s umkreisen, und einem Netz von Bodenstationen, die die Satelliten kontrollieren. Empfänger in der Größe einer Computer-Maus können aus den Funksignalen der Satelliten die eigene Position mit einer Genauigkeit von ungefähr vier Metern bestimmen. Bei Verwendung von Zusatzinformationen und/oder -diensten lässt sich ähnlich wie bei anderen satellitengestützten Navigationssystemen (GNSS) die Positionsgenauigkeit in den Zentimeterbereich steigern.

Die im Orbit positionierten Satelliten sind dreiachs-stabilisiert und dadurch permanent auf die Erde ausgerichtet. Nur die Solarpanele rotieren relativ zum Satellitenkörper. Auf diese Weise erhalten die Solarzellen ständig genügend Sonnenlicht für die Energieerzeugung.

Jeder Galileo-Satellit hat drei Nutzlast-Komponenten an Bord:

• hochpräzise Uhren (Timing Section), die der ESA zufolge eine Genauigkeit von bis zu zehn Nanosekunden erlauben,
• eine Signalerzeugungs-Einheit (Signal Generation Section) sowie
• eine Übermittlungs-Einheit (Transmit Section).

2 Galileo-Satelliten mit Fregat Quelle: ESA

Technische Daten

Satellit:
- Anzahl: 30, davon 27 operationell, 3 Reserve
- Dimensionen: 2,7 m x 1,2 m x 1,1 m
- Masse: 675 kg
- Stromversorgung: 1500 W
- Orbithöhe: 23.616 km
- Inklination: 56 Grad
- Orbitebenen: 3 mit je 9 Satelliten und 1 Reservesatellit
- Abstand der Satelliten: 40°, entsprechend 1.000 km
- Lebensdauer Satelliten: 15 Jahre

Navigations-Nutzlast:
- Masse: 80 kg
- Energieverbrauch: 850 W

Träger:
- Ariane 5, Sojus, Proton, Zenit

Bodeninfrastruktur:
- 3 Kontrollzentren (Oberpfaffenhofen / Fucino bei Rom / Spanien)
- rd. 30 Mess-Stationen (Empfang der Nutzersignale, Prüfung der Signalintegrität)
- 5 TT&C-Stationen (Telemetry, Tracking & Control)
- 10 Uplink-Stationen (für Integrität, Navigationsdaten, Satellitenkontrolle)

Satellitenkonstellation

30 Satelliten umkreisen im Endausbau die Erde auf drei Bahnebenen mit einer Inklination von 56° in einer Walker-Konstellation (27/3/1). Pro Bahnebene sind neun Satelliten vorgesehen plus zusätzlich ein Reservesatellit. Sie haben einen Abstand von 40° mit einer Abweichung von maximal 2°, entsprechend 1000 km. Bei einer Höhe von 23.222 km über der Erdoberfläche benötigen die Satelliten etwa 14 Stunden für einen Umlauf. Nach 17 Umläufen oder 10 Tagen wiederholt sich das Muster der Bodenspur.

Die vorgesehene Flotte von 30 Satelliten wird mit hochpräzisen Rubidium- und Wasserstoffmaser-Atomuhren ausgestattet. Der einzelne Satellit sendet ein Signal, mit dem er seine genaue Position übermittelt, und die Zeit, zu der das Signal gesendet wird. Der Empfänger - ob im Ruhezustand oder in Bewegung - kann nun die Zeit bestimmen, die das Signal benötigt hat, um ihn zu erreichen und so seine Entfernung zum Satelliten errechnen (Einweg-Laufzeitmessung). Dazu sind Signale von mindestens vier Satelliten nötig, da es vier Unbekannte gibt: Position (x, y, z) und die Empfängerzeit (t). Die Position der Satelliten ist dem Empfänger durch Ephemeriden bekannt.

Mit dieser Satellitenkonstellation wird erreicht, dass stets mindestens vier Satelliten, in der Regel jedoch sechs bis acht, für den Nutzer des Galileo-Systems Daten liefern können. Insgesamt bilden also 27 operationelle Galileo-Satelliten das europäische Navigationssatellitensystem im Weltraum.

Die hohe Umlaufbahn wurde bewusst gewählt, denn aus ihr resultiert eine geringe Winkelgeschwindigkeit der Satelliten, was eine längere Sichtbarkeit über dem Erdhorizont bedeutet. Außerdem treten in dieser Höhe keine störenden Wechselwirkungen mit der Erdatmosphäre auf, so dass nur selten Korrekturmanöver erforderlich sind. Damit kann ein zuverlässiger Betrieb über viele Jahre gewährleistet werden.

Galileo-Konstellation aus 24 Satelliten auf 3 Orbitalebenen und zusätzlich 2 Ersatzsatelliten pro Orbit Quelle: ESA

Nutzung

Galileo sichert Europa und Deutschland den unabhängigen und verlässlichen Zugang zur Schlüsseltechnologie Satellitennavigation. Das System wird Informationen bezüglich der Position von Nutzern aus bestimmten Sektoren liefern können, z.B. dem Verkehrswesen (Fahrzeugortung, Nachverfolgung von Lieferungen, Geschwindigkeitskontrolle, die Zurverfügungstellung von Echtzeit-Fahrgastinformation im ÖPNV, Verkehrsleitsysteme, Nutzung von Car Sharing-Modellen im urbanen Raum, sichere Anflugverfahren), Precision Farming, Sozialdiensten (Hilfe für Behinderte oder Senioren), Justiz- und Zollkontrollwesen (Aufspüren von Verdächtigen, Grenzüberwachung), Rettungswesen, das Notrufsystem eCall, Schutz kritischer Infrastruktur wie Strom-, IT- oder Kommunikationsnetze, Freizeitbereich oder in den Sektoren Finanzen und Versicherungen. In der Kombination von mobiler Telekommunikation, Informationsdiensten und Navigation liegen außerordentliche Marktpotenziale.

Das Wertschöpfungspotential satellitengestützter Anwendungen bietet enorme Wachstums- und Wohlstandschancen für Europa und Deutschland.

Das europäische System ist vorwiegend auf die Bedürfnisse ziviler Nutzer zugeschnitten. Im Gegensatz zum amerikanischen NAVSTAR-GPS kann mit Galileo zukünftig die Verfügbarkeit eines Signals garantiert werden, mit dem sich die Position bis auf wenige Meter genau bestimmen lässt. Beim amerikanischen System funktionierte dies in Kriegszeiten nicht, da die Militärs dann das Signal entweder stark vergröberten oder ganz ausschalteten.

Dennoch ist Galileo nicht alleine als Konkurrenzprodukt zum GPS zu verstehen. Vielmehr sollen sich GPS und Galileo zum Globalen Navigationssatellitensystem (GNSS-2) ergänzen. Zukünftige Endgeräte werden in der Lage sein, die Signale beider Satellitensysteme zu verarbeiten und ermöglichen so auch eine Positionsbestimmung unter schwierigen Bedingungen, beispielsweise in engen Hochgebirgstälern oder in den Häuserschluchten der Großstädte. Die Seite The Galileo device directory bietet u. a. eine aktuelle Übersicht über Galileo-taugliche Smartphones.

Die verschiedenen Galileo-Dienste im Überblick:

• Der offene Dienst (Open Service, OS) zielt auf die Massenanwendungen, etwa auf Navigationssysteme in PKW. Die Signale des OS können kostenlos empfangen werden, von jedem der über ein geeignetes Endgerät verfügt. Bereits dieses kostenlose Signal wird eine weitaus genauere Positionsbestimmung ermöglichen, als sie derzeit mit GPS-Endgeräten möglich ist. Auf der Basis von OS werden kostenlose Dienste von allgemeinem Interesse zu Ortungs-, Navigations- und Zeitsynchronisationszwecken aufgebaut.
• Der sicherheitskritische Dienst (Safety-of-Life Service, SoL) soll vor allem für sicherheitskritische Transportanwendungen zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise für die Steuerung des Flug- oder Bahnverkehrs. Der zertifizierte SoL-Service wird nur mit speziellen ebenfalls zertifizierten Endgeräten weltweit nutzbar sein. Der Galileo-Betreiber wird die ständige Verfügbarkeit und hohe Präzision des SoL-Signals garantieren.
• Der kommerzielle Dienst (Commercial Service, CS) zielt auf Anwender, die eine höhere Präzision benötigen als sie der Open Service erbringt. Mithilfe zweier zusätzlicher codierter Korrektursignale, die kostenpflichtig sind, soll eine extrem genaue Positionsbestimmung ermöglicht werden. Er ist für den professionellen Endanwender gedacht, wie beispielsweise in den Bereichen Vermessungswesen, Netzsynchronisation oder Flottenmanagement. Dieser Dienst umfasst ferner eine begrenzte Übertragungskapazität für Nachrichten von Servicezentren an Nutzer (in der Größenordnung von 500 Bits pro Sekunde). Neu ist: Gegenüber dem Nutzer werden Haftungsverpflichtungen eingegangen.
• Der öffentliche regulierte Dienst (Public Regulated Service, PRS) für hoheitliche Anwendungen der EU-Staaten zeichnet sich durch ein extrem robustes Signal aus, das den Dienst gegen Störsender und elektronische Täuschungen schützt. Der verschlüsselte Dienst wird von staatlichen Stellen genutzt, wie z.B. Polizei, Zoll und Sicherheitsorganen. Der PRS-Dienst muss ständig und unter allen Umständen in Betrieb sein, insbesondere in Krisensituationen.
• Der Such- und Rettungsdienst (Search and Rescue Service, SAR) ermöglicht den Empfang von Notrufen von beliebigen Standorten auf der ganzen Erde praktisch in Echtzeit, die exakte Positionsbestimmung der Warnmeldungen auf wenige Meter anstelle der derzeitigen Genauigkeit von 5 km erlaubt. Er ermöglicht auch Rückmeldungen an den Geschädigten (Return Link Service). Der Dienst unterstützt bereits vorhandene SAR-Systeme wie z.B. COSPAS-SARSAT. Ziel ist es, einen SOS-Ruf innerhalb von 10 Minuten oder weniger auf 2 km genau zu lokalisieren. Galileo hat bereits zur Rettung von Tausenden von Menschenleben beigetragen.
  

Infografik: Galileo rettet Leben Quelle: ESA

Sobald 30 Satelliten im Einsatz sind, will die Galileo-Behörde GSA in Prag weitere Dienste anbieten, vor allem sicherere und noch präzisere Signale. Die Rede ist von 20 Zentimetern Auflösung, was für das autonomes Fahren wichtig wäre. Derzeit kann Galileo in Kombination mit GPS bis zu 30 Zentimeter erreichen.

Wirtschaftliche Relevanz

Die durch das europäische Satellitennavigationssystem ermöglichten Anwendungen reichen weit über die bloße Positionsbestimmung eines Benutzers und über die reine Zeitbestimmung hinaus. Die Galileo-Anwendungen werden auf integrierten Diensten beruhen, indem Navigationsdaten mit weiteren Informationsschichten wie beispielsweise geographischen Informationssystemen und Datenbanken kombiniert werden.

GALILEO ermöglicht Europa und Deutschland den direkten und fairen Zugang zum Wachstumsmarkt Satellitennavigation. Weltweit wird dieser auf EUR 175 Milliarden geschätzt (Quelle: GSA Market Report, Issue IV). Bis 2020 wird ein Anstieg der GNSS-fähigen Produkte (Global Navigation Satellite System) von heute rund 5 Milliarden in 2017 auf 8 Milliarden weltweit erwartet – jeder Mensch auf der Erde wird dann im Schnitt also ein Gerät besitzen, das Satellitennavigation verwendet.

Darüber hinaus ist die deutsche Raumfahrtindustrie umfassend an Aufbau und Betrieb des Systems beteiligt. Alle bisher beauftragten Satelliten wurden in Deutschland von Astrium Deutschland (heute: Airbus Defence & Space; 4 Satelliten) sowie der OHB System AG (22 Satelliten) gebaut. Die OHB System AG fertigt im Team mit Surrey Satellite Technology Ltd. (SSTL) die Navigationssatelliten. Die OHB System AG ist für das Satellitenkonzept, die Satellitenplattform, die Satellitenintegration und deren Verifikation zuständig. SSTL, seit 2008 im Mehrheitsbesitz von Airbus D&S liefert die Satellitennutzlast und unterstützt OHB auf Systemebene mit den aus dem ersten Testsatelliten Giove A gewonnenen Erfahrungen. Des weiteren unterstützt OHB System die notwendigen Aktionen während der Startvorbereitungen und der In-Orbit-Verifikation.

Im Auftrag der Europäischen Kommission hat die ESA im Mai 2021 zwei Verträge über einen Gesamtwert von 1,47 Mrd. € für die Entwicklung und den Bau des ersten Loses der zweiten Generation der europäischen Galileo-Navigationssatelliten unterzeichnet. Nach einem intensiven Verfahren mit offenem Wettbewerb wurden diese Verträge an ThalesAleniaSpace (Italien) und Airbus Defence & Space (Deutschland) vergeben, um zwei unabhängige Satellitenfamilien mit insgesamt 12 Galileo-Satelliten der zweiten Generation zu schaffen. Der Bremer Satellitenbauer OHB ging beim Auftrag leer aus.

Der seit zwanzig Jahren existierende, mit zweistelligen Wachstumsraten boomende Markt für Applikationen braucht diese ultragenaue Geolokalisierungstechnologie unter anderem zur Entwicklung von Spielen, für die Augmented Reality, für Sportler- Apps, die sozialen Netzwerke und das Geomarketing.

Quelle: DLR

Quelle: GfR

Links: Galileo-Satelliten an Bord der Sojus Die beiden operationellen Satelliten des europäischen Satelliten-Navigationssystems Galileo (Galileo-IOV FM3 und FM4) an Bord einer Sojus-Rakete der Variante ST-B mit einer Oberstufe des Typs Fregat-MT. Rechts: Galileo-Kontrollzentrum beim DLR in Oberpfaffenhofen Die Gesellschaft für Raumfahrtanwendungen (GfR) mbH ist ein Unternehmen des DLR e.V. Seit 2008 führt die Firma mit etwa 50 Mitarbeitern als GmbH unter industriellen Rahmenbedingungen Projekte im Raumfahrtbereich mit Schwerpunkt satellitengestützter Navigation durch. Sitz der Gesellschaft ist Oberpfaffenhofen. Hier befindet sich ein Herzstück des Galileo-Projektes, das Galileo Kontrollzentrum.

Bodensegment

Im Vergleich zu anderen Satellitensystemen benötigt ein Satellitennavigationssystem eine groߟe Anzahl von Infrastrukturelementen am Boden. Zu ihnen gehören:

• Zwei gleichberechtigte Kontrollzentren (GCC) in Oberpfaffenhofen und Fucino (Italien). Nominal überwacht und kontrolliert Oberpfaffenhofen die Satellitenkonstellation, während Fucino für die Bereitstellung der Navigationsdaten sowie die hochgenaue Bahnbestimmung und Zeitsynchronisation zuständig ist. Im Falle eines gravierenden Ausfalls oder von Wartungsarbeiten sollen die beiden Kontrollzentren gegenseitig als Backup dienen. Dies ist bei dem gravierenden Systemausfall im Juni 2019 offenbar misslungen.
• Das GCC stellt sicher, dass die Satelliten spätestens alle 100 Minuten neue Navigationsdaten erhalten.
• Während der Start- und frühen Orbit-Phasen werden die Satelliten vom ESOC (European Space Operations Centre) der ESA in Darmstadt aus geflogen.
• Sechs weltweit verteilte Bodenstationen (TTC) für die Satellitenkommunikation mit 13-Meter-Antennen im S-Band (2 GHz)
• 30 weltweit verteilte Referenz-Empfangsstationen (GSS) zur Erfassung der Galileo-Signale im L-Band. Aus diesen Signalen berechnet das Kontrollzentrum alle zehn Minuten die Navigationsdaten (Bahnen und Zeitdifferenzen)
• Zehn weltweit verteilte Up-link-Stationen (ULS) zur Übertragung der von den Satelliten ausgestrahlten Galileo-Navigationssignale, Kommunikation mit 3-Meter-Antennen im C-Band (5 GHz)
• Das Sicherheitszentrum (GSMC) in Frankreich (St. Germain-en-Laye) mit einem Backup in Madrid. Diese sind für den behördlichen Dienst (PRS) sowie die Systemsicherheit zuständig.
• Die Sicherheit und die Betriebsaufnahme von Galileo stellt die Agentur für das Europäische GNSS (GSA) sicher. Sie ist seit Juli 2017 auch mit dem Betrieb und der Erbringung der Dienste beauftragt.
• Des Weiteren zusätzliche Servicezentren zur Performanceüberwachung, Zeitreferenzierung, geodätische Dienste, Koordinierungszentren für den SAR Service.

Die weltweit verteilten Elemente sind zum großen Teil auf europäischem Territorium installiert, es werden in großem Umfang die Französischen Überseegebiete genutzt, aber auch Stationen auf norwegischem Hoheitsgebiet (obwohl Norwegen kein EU-Mitglied ist). Stationen, die ursprünglich auf UK-Territorium aufgebaut wurden (Ascension, Falklands) wurden inzwischen im Zuge des Brexit entfernt.

Finanzierung und Kosten

Als Kosten für den Aufbau von Galileo waren ca. 3,5 Milliarden Euro veranschlagt, für den Betrieb des Systems rund 220 Mio €/a. Die Einhaltung dieser Summen ist zweifelhaft. Zwischenstaatliche Unstimmigkeiten und Konflikte zwischen politischer Ebene und Herstellerkonsortium verzögern den Zeitplan und bedingen andere Kalkulationen (2007), z.B. über Restgelder aus dem EU-Agrarhaushalt. Für den Zeitraum 2014 - 2020 sieht der Mehrjährige Finanzrahmen der Union für Galileo EUR 6,3 Mrd. zu Preisen von 2011 vor. Daneben stehen Gelder aus dem EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizont 2020 zur Verfügung. Inzwischen (2019) belaufen sich die Kosten für Aufbau und Betrieb auf gut zehn Milliarden bis zum Jahr 2020. Die ursprünglich geplante Partnerschaft zwischen Industrie und öffentlicher Hand für Aufbau und Betrieb war schon zu Anfang des Projekts zerbrochen, weshalb die Steuerzahler die Kosten übernehmen mussten.

Der deutsche Anteil beträgt 20 Prozent und entspricht dem Beitrag Deutschlands am EU-Haushalt. Der Brexit wird automatisch zu einer noch stärkeren Beteiligung führen.

Projektablauf

Die Planungs- und Definitionsphase schloss mit dem Start und der Inbetriebnahme zweier Testsatelliten und der zugehörigen Bodenstationen im Januar 2006 ab. Der Test der Sendefrequenzen musste vor dem 10. Juni 2006 erfolgen, weil sonst die Reservierung für die Galileo-Frequenzbänder bei der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) verfallen wäre. Mit Entwicklung, Start und Test von vier Galileo-Satelliten (In Orbit Validation, IOV) endet die zweite Phase 2011.

Der erste Testsatellit GIOVE-A1 (Galileo In-Orbit Validation Element) wurde am 28. Dezember 2005 vom Raumfahrtzentrum in Baikonur (Kasachstan) gestartet. Das erste Navigationssignal übertrug GIOVE-A zu Testzwecken am 2. Mai 2007. GIOVE-B, der zweite Testsatellit, wurde am 26. April 2008 ebenfalls vom Kosmodrom Baikonur gestartet. Als neue Nutzlast verfügt er über Laser-Retroreflektoren für die exakte Bahnvermessung und eine hochgenaue passive Wasserstoff-Maser-Atomuhr. Am 7. Mai 2008 sendete er die ersten hochgenauen Navigationssignale.

Am 4. Februar 2011 begann die erste große Testphase. Der deutsche Bundesverkehrsminister nahm in Berchtesgaden die erste europäische Testregion in Betrieb. Das Projekt GATE ermöglicht den Test von Galileo-Empfängern. Es betreibt im Raum Berchtesgaden terrestrische Funkanlagen, die Signale aussenden, wie sie später von Galileo erwartet werden. Entwickler führten ab da Praxistests unter realen Einsatz- und Umgebungsbedingungen durch.

Nachdem die ersten Galileo-Satelliten in der Umlaufbahn waren und gut funktionierten, beendete die ESA 2012 die Nutzung von GIOVE-A. Der Satellit wurde auf eine "Friedhofsumlaufbahn" 100 km über den Umlaufbahnen der operativen Satelliten gebracht, ebenso wie GIOVE-B nach seiner eigenen vierjährigen Mission. Die Kontrolle über GIOVE-A ging jedoch an den Hersteller Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) im Vereinigten Königreich über. GIOVE-A wurde dann für verschiedene Experimente in der Erdumlaufbahn eingesetzt, u. a. zur Demonstration des Empfangs von Satellitennavigationssignalen von GPS-Satelliten, die unterhalb von GIOVE-A kreisen.

In der dritten Phase, der Errichtungsphase, wird das System fertiggestellt. Die ersten zwei Satelliten (In Orbit Validation IOV) wurden am 21. Oktober 2011 mit dem ersten Start einer Sojus-ST-Rakete vom europäischen Weltraumzentrum in Französisch-Guayana ins All gebracht. Dies war gleichzeitig der erste Start einer russischen Trägerrakete von einem Weltraumbahnhof der ESA. Zwei weitere Satelliten sind am 12. Oktober 2012 – wiederum mit einer Sojus-Rakete – von Kourou aus gestartet, um die Validierungsphase des Galileo-Programms abzuschließen.

Am 22. August 2014 wurden zwei weitere Satelliten von der Sojus-Oberstufe Fregat im All ausgesetzt, allerdings hatte ein technischer Defekt die Satelliten in einen zu niedrigen Orbit gebracht. Eine eingefrorene Hydrazin-Leitung in der Oberstufe hatte die Nutzlast fehlgeleitet. Ein weiteres Manko war, dass die Satelliten auf einer elliptischen anstatt auf einer Kreisbahn unterwegs waren, und zusätzlich mit einer Neigung von 49,8 Grad zum Äquator. Damit Galileo auf der Erde flächendeckend zur Verfügung steht, sind 55 Grad notwendig. Nach erfolgreichen Bahnkorrekturen ging die ESA in den ersten Monaten des Jahres 2015 davon aus, künftig eine volle Funktionsfähigkeit der Satelliten zu erreichen.

Am 27.3.2015 brachte wiederum eine Sojus-Trägerrakete die Satelliten Nummer sieben und acht von Europas Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana aus in den Weltraum. Weitere Paare folgten am 11.9.2015, 17.12.2015 und 24.5.2016. Am 17.11. 2016 wurden erstmals vier weitere Galileo-Satelliten gestartet, und zwar mit einer Ariane-5-Trägerrakete von Kourou aus. Im Dezember 2016 war das GALILEO System mit der Erklärung sog. „erster Dienste“ in die operationelle Phase eingetreten. Seither können Nutzer Signale von GALILEO Satelliten im All verwenden. Verfügbar waren zunächst der offene Dienst (Open Service, OS), der Such- und Rettungsdienst (Search and Rescue, SAR) sowie der öffentlich-regulierte Dienst (Public Regulated Service, PRS).

Am 12. Dezember 2017 brachte eine Ariane 5 vier weitere Galileo-Navigationssatelliten auf ihre Umlaufbahnen. Damit war die Galileo-Konstellation auf 22 Satelliten angewachsen. Mit dem am 25.7.2018 erfolgten Vierer-Start war die Galileo-Konstellation mit 24 Satelliten plus 2 Ersatzsatelliten vollständig. Im September 2021 gab es 26 Satelliten in der Konstellation: 22 in nutzbarem Zustand (d.h. der Satellit ist einsatzbereit und trägt zur Bereitstellung von Diensten bei), zwei Satelliten befinden sich in der "Testphase" und zwei weitere stehen den Nutzern nicht zur Verfügung. Am 5. Dezember 2021 wurden die Galileo-Satelliten 27-28 ins All gebracht. Dabei handelt es sich um die ersten beiden der verbleibenden 12 Galileo-Satelliten der ersten Generation. Die Webseite von EUSPA liefert aktuelle Informationen u. a. zum Stand der Konstellation von Galileo.

Aufsichtorganisationen und Betreiber

Am 25. Mai 2003 gründeten die EU und ESA das gemeinsame Unternehmen Galileo Joint Undertaking (GJU). Es koordinierte in der IOV Phase die Entwicklung des Galileo-Systems. Dazu gehören die ersten beiden Testsatelliten GSTB-V2 (GIOVE-A und B), die Inbetriebnahme der ersten vier Satelliten der Konstellation in der IOV-Phase.

Zum Ende des Jahres 2006 wurde die Liquidation der GJU eingeleitet. Ihr Ziel, einen Konzessionär für Galileo auszuwählen, hat sie nicht erreicht. Die Agentur für das Europäische GNSS (GSA) der Europäischen Kommission übernahm zum 1. Januar 2007 die Aufgaben des GJU. An ihr ist die ESA unmittelbar nicht mehr beteiligt.

Die mangelnden Kompetenzen der Kommission und die ungleichen Kräfteverhältnisse zwischen den EU-Mitgliedstaaten und den europäischen Institutionen haben unweigerlich zur Herausbildung eines äußerst komplexen Führungssystems geführt. Theoretisch ist die Kommission für die politische Leitung des Galileo-Programms zuständig, während die ESA für die technischen Aspekte verantwortlich zeichnet. Die eigens für Galileo gegründete Agentur für das Europäische GNSS (GSA) soll den betrieblichen Part übernehmen. In der Praxis führt aber jede neue Programmphase zu tiefgreifenden Meinungsverschiedenheiten. Um diese Blockaden zu lösen, setzt die EU auf verschwommene Bestimmungen, die Raum für Absprachen hinter den Kulissen lassen – und für endlose Diskussionen. So gibt es beispielsweise keine präzisen Regeln, um die erforderliche Kooperation zwischen der Kommission und der ESA in geordnete Bahnen zu lenken. (TAZ / LMd)

Nach der Einigung im Rat für Wirtschaft und Finanzen der EU über die Finanzierung von Galileo in der FOC Phase bleibt die GSA im Auftrag der EU hauptverantwortlich für das Galileosystem. Sie beauftragt die Galileo Service Operating Company (GSOP) mit dem Betrieb des Systems. Die ESA wird hingegen für die Weiterentwicklung des Systems beauftragt. Diese Struktur soll auch über das Ende der FOC Phase hinaus beibehalten werden.

Hauptverantwortlich für den Galileo-Betrieb ist seit 2010 die Spaceopal GmbH in München. Es handelt sich um ein Gemeinschaftsunternehmen der DLR Gesellschaft für Raumfahrtanwendungen in München und dem italienischen Raumfahrtunternehmen Telespazio Spa mit Sitz in Rom, welches wiederum ein Joint Venture der italienischen Leonardo S.p.A. und der französischen Thales Group ist. Spaceopal hat Galileo-Kontrollzentren in Oberpfaffenhofen und im Raumfahrtzentrum Fucino bei Avezzano, Italien.

Seit Mitte Oktober 2020 hat Rodrigo da Costa die Amtsgeschäfte als neuer Exekutivdirector der GSA übernommen. Herr da Costa wird die GSA durch den Transformationsprozess zur EU Space Programme Agency (EUSPA) führen. Die EUSPA wird im Auftrag der Europäischen Kommission zusätzlich zu den bisherigen Aufgaben weitere im Zusammenhang mit dem EU-Weltraumprogramm (EU Space Programme) übernehmen. Die Verhandlungen zum Finanzrahmenpartnerschaftsabkommen zwischen EU, GSA und ESA laufen derzeit noch. In dem Abkommen soll die Aufgabenteilung festgelegt werden.

Signal und Empfänger

Galileo benutzt gemeinsam mit GPS das Frequenzband L1 bei 1575,42 MHz und L5 bei 1176,45 MHz. Das Band L2 bei 1227,6 MHz steht GPS allein zur Verfügung, für Galileo ist es das Band E6 bei 1278,75 MHz.

Galileo-Satelliten senden mit 50 Watt. Die Sendeleistung ist so gering, dass ein Navigationsempfänger in 20.000 km Entfernung mit einer einfachen Stabantenne fast nur Rauschen von gleichzeitig mindestens vier Satelliten empfängt. Deren Signale sind dopplerverschoben. Außerdem empfängt er Signale von GPS-Satelliten auf den gleichen Frequenzen.

Die Rückgewinnung der Navigationsdaten gelingt, weil jeder Satellit z. B. auf der L1-Frequenz ein charakteristisches Pseudorauschsignal, den Spreizcode mit 1 MHz Bandbreite, sendet, das mit einer Bitrate von 50 bit/s moduliert ist. Durch Korrelation mit dem Pseudorauschsignal filtern Empfänger die Signale der einzelnen Satelliten wieder heraus.

Kooperation und Leistungsvergleich

Galileo konkurriert nicht nur mit dem bestehenden amerikanischen (NAVSTAR-GPS) und dem russischen (GLONASS), es ergänzt sie auch. Das US-amerikanische GPS gilt dabei als Referenzsystem. Europa hat großen Wert darauf gelegt, dass Galileo nicht gegen sondern mit GPS arbeiten wird. Es basiert auf derselben Grundtechnologie wie GPS, ist kompatibel und bietet zusammen mit GPS eine wesentlich höhere Genauigkeit sowie erhöhte Ausfallsicherheit. Im Verhältnis zu GPS senden die Galileo-Satelliten ein wesentlich stärkeres Signal und das auf drei verschiedenen Frequenzbändern. Die Korrektursignale von EGNOS, einem Netz von Bodenstationen, ermöglichen eine Reihe von hochgenauen Anwendungen. Qualitätssprünge werden durch die Kombination der unterschiedlichen Informationsquellen verschiedener Systeme (GPS, GLONASS etc.) erwartet.

Heute nutzen beispielsweise die meisten neuen Smartphones das Galileo-Netz für die Navigation. Im Juli 2019 waren es weltweit bereits ca. 800 Mio (s. useGALILEO.eu). Im Vergleich zu GPS kann es Standorte um einiges genauer erfassen: Galileo verspricht eine Genauigkeit bis zu 30 cm - im Vergleich zu etwa fünf Meter bei GPS.

Die Möglichkeiten von Galileo wurden inzwischen durch einen neuen High Accuracy Service (HAS) erweitert, der weltweit für alle mit einem entsprechend ausgestatteten Empfänger frei verfügbar ist. Die Genauigkeit des High Accuracy Service beträgt bis zu 20 cm horizontal und 40 cm vertikal. Dies wird durch eine zusätzliche Ebene von Positionskorrekturen in Echtzeit ermöglicht, die über einen neuen Datenstrom innerhalb des bestehenden Galileosignals bereitgestellt werden.

Mit diesem neuen Galileo-Dienst zielt EUSPA auf aktuelle Hochpräzisionsanwendungen wie Präzisionslandwirtschaft, Rohstoffsuche, Landvermessung und hydrographische Vermessung sowie auf aufstrebende Sektoren wie Robotik, autonomes Fahren von Autos, Zügen, Schiffen und Drohnen sowie Augmented-Reality-Spiele und Marketing – und sogar Formationsflüge von Satelliten.

Neuer hochpräziser Galileo-Service Quelle: ESA

Das neue HAS verbessert die Leistung des globalen Netzwerks von Galileo-Sensorstationen, welches kontinuierlich die Satelliten und ihre Signale überwacht, damit das System auf Kurs bleibt. Ihre Daten werden zur Erstellung einer Reihe von Korrekturen verwendet, die dann etwa alle 100 Minuten an die Galileo-Satelliten weitergeleitet werden, um sie in ihre Navigationssignale einzubinden.

Der neue Galileo-Dienst verbessert diese Leistung noch durch den Einsatz eines hochgenauen Datengenerators, der sich im Galileo-Kontrollzentrum in Fucino, Italien, befindet und zusätzliche Korrekturen für Galileo sowie für die US-GPS-Satelliten generiert. Diese Korrekturen werden dann in Echtzeit über das Galileo-Satellitensignal an kompatible Empfänger weitergeleitet – und zwar in einer einzigen Nachricht mit 448 Bits pro Sekunde, was eine einzigartige Fähigkeit der sorgfältig ausgearbeiteten Galileo-Signalform ist.

Pannen und Probleme

Das Satellitennavigationssystem Galileo sollte ursprünglich bereits 2008 starten. Nach einigen Pannen und Verzögerungen ging der Betrieb dann 2016 tatsächlich los. Immerhin zählte das System bereits nach einem Jahr schon 100 Millionen Nutzer. Nach Schätzungen des CNES nehmen bereits heute (2019) mehr als 700 Millionen Nutzer den offenen Dienst in Anspruch.

Obwohl ein Großteil der Satelliten in ihren Umlaufbahn kreisen, sorgt Galileo hinter den Kulissen noch immer für Unruhe. Führungsprobleme, schlechte Businesspläne, riskante Entscheidungen der Kommission, nationale Egoismen, aus Proporzgründen über ganz Europa verteilte Zuständigkeiten, Industriekrieg – das europäische Satellitennavigationssystem hat schon mehrfach kurz vor dem Aus gestanden. Mittlerweile ist das Projekt bereits zehn Jahre im Verzug, während sich die Kosten verdreifacht haben und mindestens 13 Milliarden Euro betragen werden.

Galileo, hieß es immer, sei zu teuer, um von einem einzigen Staat gestemmt zu werden. An ihm zeigen sich die Schwierigkeiten einer Union, der es an politischer Führung und einer klaren Strategie mangelt, eine groß angelegte Industriepolitik umzusetzen. Das Satellitennavigationssystem ist anfällig für Interessenkonflikte und nationale Egoismen, obwohl zwischenstaatliche Projekte (ohne Verbindung zur EU-Struktur) wie Airbus D&S oder Arianespace große Erfolge gefeiert haben.

Galileo ist von Anfang an nicht klar definiert worden. Während das System aus Sicht einiger Akteure der geostrategischen Unabhängigkeit Europas dienen soll, möchten andere, dass es als einfaches Wirtschaftsprogramm behandelt wird.

Einige Beispiele:

• Zwei Satelliten, Nummer fünf und sechs in der Galileo-Reihe, waren 2014 nach dem Start in Kourou in Französisch-Guyana wegen eines technischen Defekts in eine falsche Umlaufbahn geraten.
• Ende 2016 fielen insgesamt neun der Atomuhren an Bord mehrerer Galileo-Satelliten aus. Es waren zu dieser Zeit sechs Wasserstoff-Maser-Uhren und drei Rubidium-Atomuhren ausgefallen. Die ESA teilte mit, dass das Phänomen untersucht wird. Da jeder Galileosatellit über 4 Uhren verfügt und einer der betroffenen Satelliten außer Betrieb ist, gibt es keine Einschränkung der Navigationsdienste. Eine zehnte ausgefallene Atomuhr konnte neu gestartet werden. Die Funktion des Galileo-Navigationssatellitennetzes ist hierdurch nicht beeinträchtigt. Der Grund für die Ausfälle sollen die Bedingungen im Weltall sein, denen in der Zukunft durch Veränderung der Betriebsspannung und -temperatur entgegen gewirkt wird.
• Im Juli 2019 fiel das Galileo-System komplett aus. Der Ausfall ist vermutlich auf einen Systemfehler in der italienischen Bodenstation zurückzuführen, die als Zeitreferenz dient. Der Fehler trat während eines Systemupgrades auf.

Dazu kamen internationale Probleme. 2001 hatte die Europäische Union entschieden, ein eigenes einheitliches Programm zu starten und somit nicht auf zwischenstaatliche Kooperation zu setzen. Das Vereinigte Königreich widersetzte sich dieser Idee. Aufgrund ihrer 'Special Relationship' mit den Amerikanern hatten die Briten kein Interesse, ein Konkurrenzsystem zum GPS aufzubauen. Sie fürchteten zudem eine Verschwendung öffentlicher Gelder. Washington war von der Idee ebenfalls nicht begeistert. Dass sich ein feindliches Land Zugang zu diesem sehr genauen Signal verschaffen und es zur Steuerung seiner Raketenwaffen nutzen könnte, beunruhigte das Pentagon. Zu dieser Zeit konnte es die Genauigkeit des zivilen GPS-Signals noch immer unilateral herabsetzen, was sowohl im Golfkrieg als auch im Kosovokrieg geschah.

Galileo sah sich denn auch bald einer sehr aggressiven Kampagne ausgesetzt. So schrieb der stellvertretende US-Verteidigungsminister Paul Wolfowitz im Dezember 2001 einen Drohbrief, um die europäischen Regierungen einige Tage vor der entscheidenden Sitzung des EU-Rats von der Freigabe der ersten Gelder für das Programm abzuhalten. Er befand, dass eine zivile Leitung der sicherheitspolitischen Dimension eines Geolokalisierungsprogramms nicht gerecht werde und kritisierte, dass Galileo dasselbe Wellenspektrum nutzen sollte wie das GPS-Militärsignal. Wolfowitz sagte klar, es sei "im Interesse der Nato zu verhindern, dass die Entwicklung des künftigen Galileo-Signals innerhalb des GPS-Spektrums erfolgt." (Weiterlesen in Le Monde diplomatique / taz)

Galileo zweite Generation (G2)

Mit dem Auftrag an ThalesAleniaSpace und Airbus Defence & Space vom Mai 2021, zwei unabhängige Satellitenfamilien mit insgesamt 12 Galileo-Satelliten der zweiten Generation zu schaffen, beginnt eine weitere Phase der Galileo-Geschichte. Die Galileo-Satelliten der zweiten Generation (G2) werden die Galileo-Flotte revolutionieren. Die neuen G2-Satelliten werden in kurzer Zeit gebaut, ihr erster Start wird in weniger als vier Jahren erwartet, so dass sie so schnell wie möglich ihren Betrieb im All aufnehmen können. Die Satelliten werden 15 Jahre lang in der Umlaufbahn betrieben.

Die G2-Satelliten werden sich schrittweise in die bestehende Konstellation einfügen, werden aber viel größer sein als die bisherigen Satelliten.

Die mehr als 2 Tonnen schweren Satelliten werden sechs (statt vier) verbesserte Atomuhren sowie Inter-Satelliten-Verbindungen enthalten, die es ihnen ermöglichen, miteinander zu kommunizieren und sich gegenseitig abzugleichen. Dies soll den Nutzern auf der ganzen Welt eine Präzisionspositionierung im Dezimeterbereich ermöglichen. Das über die Atomuhren geführte Zeitgebungssystem von Galileo ist auch ein wichtiger Faktor für die Abwicklung von Börsengeschäften.

Die Satelliten werden mit einer erhöhten Datenrate vom und zum Boden gesteuert werden können und mit fortschrittlichen Schutzmechanismen gegen Störsignale und Spoofing ausgestattet sein, um die Galileo-Signale zu schützen.

Zu den neuen Technologien an Bord gehört ein elektrischer Antrieb, der die Satelliten von der Umlaufbahn, in der sie gestartet werden, bis zu den endgültigen Betriebsumlaufbahnen vorantreibt, so dass trotz ihrer größeren Masse zwei Satelliten gleichzeitig gestartet werden können. Inter-Satelliten-Verbindungen zwischen den Satelliten ermöglichen einen routinemäßigen Abgleich ihrer Leistung und reduzieren die Abhängigkeit von der Verfügbarkeit von Bodenanlagen. Die Satelliten werden außerdem über fortschrittliche Schutzmechanismen gegen Jamming und Spoofing verfügen, um die Galileo-Signale zu schützen.

Dank G2 wird es für Navigationsgeräte wie Smartphones möglich sein, das Signal schneller zu erfassen und beim Einschalten ihrer Geräte schneller auf Dienste zuzugreifen, bei geringerem Stromverbrauch. Dies wird neue Perspektiven für viele neue Geräte mit Positionierungsfähigkeiten eröffnen, eine wahre Revolution für künftig selbstfahrende Autos, autonome Drohnen und das gesamte 'Internet der Dinge'.

G2 wird auch erweiterte Dienste für Such- und Rettungsdienste bieten, einschließlich Zwei-Wege-Kommunikation zur Person in Not. Und eine neue Notfall-Kommunikationsfunktion wird es Behörden ermöglichen, Nutzer in betroffenen Regionen vor drohenden Gefahren wie Tsunamis oder Erdbeben zu warnen. Solche Warnungen könnten unabhängig von Telekommunikationsanbietern überall auf der Erde gesendet werden, indem die Galileo-Navigationssignale als Einweg-Nachrichtendienst genutzt werden.

Weitere Informationen:

• Aufbau der europäischen Navigationssatelliten-Konstellation (ESA)
• Galileo - Guiding your Way (Galileo Industries)
• Galileo - Europäisches Satellitennavigationssystem (Raumsegment) (OHB)
• Galileo - Wissenschaft & Präzisionsanwendungen (Christoph Reigber, GFZ Potsdam)
• Galileo – und wo bist du? (Bernhard Hofmann-Wellenhof, TU Graz)
• Mit Galileo in die mobile Zukunft (ESA)
• Entwicklung der Navigation: Von Militär und Marine zurÖffentlichkeit (ESA)
• What is Galileo? (ESA)
• Galileo (European Commission)
• European Global Navigation Satellite Systems (GNS)
• Oh Galileo! (SZ.de)
• Constellation Information (EUSPA)
• Galileo – Europas Satellitennavigationssystem im Dienst der Bürger (BMVI)
• Galileo: no way without time (ESA)
• How does Galileo help other space missions? (ESA)

Gaofen (GF)

Gaofen (chin. für 'hohe Auflösung') ist eine Serie chinesischer hochauflösender Erdbeobachtungssatelliten für das staatlich geförderte Programm China High-resolution Earth Observation System (CHEOS). Der erste Satellit der Gaofen-Serie, Gaofen 1, wurde 2013 gestartet.

Es gibt insgesamt 14 Typen von Gaofen-Satelliten, wobei Gaofen 1 bis Gaofen 7 rein zivilen Zwecken dienen, während Gaofen 8 bis Gaofen 14 Dual-Use-Satelliten sind, die von der Volksbefreiungsarmee und verbündeten Armeen in den Partnerländern der Neuen Seidenstraße mitbenutzt werden.

Mit Stand 2020 besteht das System neben den Rechenzentren nur aus Satelliten in verschiedenen Umlaufbahnen, mit einer Auflösung von bis zu 65 cm (Gaofen 7). In weiteren Ausbaustufen soll auch Erdbeobachtung durch Flugzeuge und in der Stratosphäre schwebende Luftschiffe hinzukommen.

Verantwortlich für den Empfang der von den Gaofen-Satelliten gelieferten Daten ist das 2012 bei einer Strukturreform der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entstandene Institut für Fernerkundung und digitale Geowissenschaften. Das Gaofen-Projekt verfügt über eine Reihe von Versuchsstationen in ganz China, wo die Kameras und Sensoren der Satelliten an bekannter Vegetation und Bodenbeschaffenheit erprobt und geeicht werden können.

Bezeichnung	Beschreibung
Gaofen-1	Chinesischer Erdbeobachtungssatellit (chin. gao fen für hohe Auflösung), der am 26. April 2013 mit einer Trägerrakete Langer Marsch 2D vom Kosmodrom Jiuquan zusammen mit den drei kleinen Experimentalsatelliten TurkSat-3USat (Türkei), CubeBug-1 (Argentinien) und NEE-01 Pegaso (Ecuador) auf eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 675 km Höhe gebracht wurde. Seine Bahnneigung beträgt 98,1 Grad. Der dreiachsenstabilisierte Satellit ist mit einer CCD-Kamera mit einer Auflösung von bis zu zwei Metern und Multispektralkameras mit einer Auflösung von 8 bzw. 16 m ausgerüstet und soll etwa zur Unterstützung im Katastrophen- und Umweltschutz oder der Agrarplanung dienen. Er wurde auf Basis des CAST2000-Satellitenbus der Chinese Academy of Space Technology (CAST) gebaut, welcher Nutzlasten von bis zu 600 Kilogramm und mit rund einem Kilowatt Energiebedarf erlaubt. Er wurde schon für andere Erdbeobachtungssatelliten wie Huanjing-1A und B eingesetzt. Am 31. März 2018 startete China drei weitere Satelliten der Gaofen-1 Reihe, bezeichnet als GF-1 02, GF-1 03 und GF-1 04. Die Satelliten werden dieselbe Bahnebene wie der erste Gaofen-1 haben, aber mit einem Abstand von 120 Grad. Startort war der Weltraumbahnhof von Taiyuan, im Norden Chinas. Als Träger wurde eine Rakete des Typs Langer Marsch 4C eingesetzt. Diese Trägerrakete ist nahezu identisch mit dem Typ Langer Marsch 4B. Der einzige Unterschied besteht in einer längeren Nutzlastverkleidung. Die Gaofen-Satelliten sind Teil des China High-definition Earth Observation System (CHEOS) Programms, die chinesische Entsprechung zum europäischen Copernicus-Programm mit seinen Sentinel-Erdbeobachtungssatelliten. Die beiden Kameras an Bord verfügen im panchromatischen Modus über ein Auflösungsvermögen von zwei Metern pro Bildpunkt, im multispektralen Betrieb beträgt das Auflösungsvermögen acht Meter pro Bildpunkt. Die Bodenspur ist etwa 66 km breit. Die Satelliten sind für eine Missionsdauer von ca. 6 Jahren ausgelegt. Die vier Satelliten GF-1 arbeiten koordiniert und können so den selben Punkt der Erde wenigstens ein Mal pro Tag abbilden. Die Planung der Konstellation begann im Jahre 2010 und soll am Ende mindestens 14 Satelliten umfassen, mit denen die optische Beobachtung der Erde in verschiedenen Spektralbereichen in mittelhoher Auflösung möglich ist. Weitere Gaofen-Satelliten liefern andere Arten von Umweltdaten, einschließlich Wetterradarbilder und Messungen von Atmosphärenparametern. Außerdem werden die Satellitenbeobachtungen im Rahmen des CHEOS-Programms durch Messungen von Stratosphären-Luftschiffen und Flugzeugen sowie terrestrische Messungen ergänzt. Weitere Informationen: GF-1 (Gaofen-1) High-resolution Imaging Satellite (eoPortal Directory) Gaofen (China Space Report)
Gaofen-2	Chinesischer Erdbeobachtungssatellit, der am 19. August 2014 mit einer Trägerrakete Langer Marsch 4B vom Kosmodrom Jiuquan zusammen mit dem Experimentalsatelliten BRITE-PL-2 (Polen) in eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 620 km Höhe gebracht wurde. Die Bahnneigung beträgt 98°. Der dreiachsenstabilisierte Satellit ist mit zwei Multispektralkameras mit einer Auflösung von bis zu 80 Zentimetern im panchromatischen Bereich und 3,2 Metern bei Farbaufnahmen ausgerüstet. Die Schwadbreite beträgt 48 km, wobei die Kamera um etwa 35° jeder Seite geschwenkt werden kann. Die Bilder sollen zur Unterstützung im Katastrophen- und Umweltschutz oder der Agrarplanung dienen. Der Satellit wurde auf Basis des CS-L3000A-Satellitenbus der Chinese Academy of Space Technology (CAST) gebaut und ist für eine Missionsdauer von 5-8 Jahren ausgelegt. Weitere Informationen: GF-2 (Gaofen-2) High-resolution Imaging Satellite (eoPortal Directory) Gaofen (China Space Report)
Gaofen-3	Chinesischer Erdbeobachtungssatellit, dessen Start im August 2016 mit einer Trägerrakete Langer Marsch 4C vom Kosmodrom Taiyuan (Provinz Shanxi) aus erfolgte. Als Nutzlast trägt der Satellit ein C-Band Radarinstrument mit synthetischer Apertur, das Bilder mit einer Auflösung von 1 Meter bei einer Bodenspur von 10 km erzeugen kann. Der Satellit wird für zivile Zwecke eingesetzt, z.B. zum Umweltmonitoring, vor allem zur Meeresbeobachtung und zur Katastrophenwarnung. Die räumliche Auflösung von Gaofen-3 variiert zwischen 1 und 500 Metern. Der 2.950 kg schwere Satellit arbeitet auf einer Umlaufbahn in 755 km Höhe mit einer Bahnneigung von 98° und hat eine geplante Missionsdauer von 8 Jahren. Am 22. November 2021 wurde ein zweites Exemplar (Gaofen-3-02) vom Jiuquan Satellite Launch Center im Nordwesten Chinas aus auf eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 755 km Höhe gebracht. Gaofen 3-02 wird mit dem ursprünglichen Gaofen-3-Satelliten zusammenarbeiten und sich auf die Meeresbeobachtung mit einer Bildauflösung von einem Meter konzentrieren. Gaofen 3-02 besitzt zusätzlich zum Radar noch einen Empfänger für die Signale des Automatic Identification Systems von Schiffen, die er gleich an Bord in Echtzeit verarbeitet. Dies verbessert die Überwachung der von China beanspruchten Seegebiete in Bezug auf Fischereirechte etc. und dient auch zur Beobachtung von Schiffsunfällen und dadurch verursachten Umweltschäden. Am 6. April 2022 hat China das dritte Exemplar (Gaofen-3 03) vom Jiuquan Satellite Launch Center aus gestartet. Wieder erfolgte der Start mit einer Rakete vom Typ Langer Marsch-4C. Zusammen mit den zwei zuvor gestarteten Satelliten der Gaofen-3-Serie werden die drei Satelliten in einem Netzwerk arbeiten und ein "Himmelsauge" im Weltraum bilden. Die drei Satelliten, die gleichmäßig auf derselben Bahnebene verteilt sind, sollen zusammenarbeiten, um die Effizienz zu erhöhen, und die Erde alle 99 Minuten umkreisen. Die drei Satelliten sind in der Lage, fünfmal am Tag stabile, hochauflösende Radarbilder mit synthetischer Apertur vom selben Gebiet aufzunehmen. Gaofen-3-Satelliten gleichmäßig auf derselben Orbitalebene verteilt Die Konstellation wird die Anzahl der Beobachtungen der Erde durch die Satelliten erhöhen, ihre Wiederholungskapazitäten verbessern und die globale Abdeckung ausweiten und damit ihre Leistung bei der Unterstützung operativer Anwendungsdaten für die Meeresforschung Chinas, die Überwachung terrestrischer Umweltressourcen und die Katastrophenvorbeugung und -bekämpfung verbessern. Während der ursprüngliche Satellit 3,5 Tage brauchte, um dasselbe Gebiet zu überfliegen, konnte diese Zeitspanne mit dem Satellitennetzwerk auf fünf Stunden verkürzt werden. Quelle: China Aerospace Science and Technology Corporation Weitere Informationen: GF-3 (Gaofen-3) SAR Satellite (eoPortal Directory) Gaofen-3 (China Space Report) Gaofen
Gaofen-4	Chinesischer Erdbeobachtungssatellit, der am 28. Dezember 2015 mit einer Trägerrakete Langer Marsch 3B vom Kosmodrom Xichang auf eine geosynchrone Umlaufbahn in ca. 36.000 km Höhe gebracht und bei 105.5° Ost positioniert.wurde. GF-4 ist ausgerüstet mit einer im sichtbaren Bereich arbeitenden Kamera („staring imager“), die Objekte ab 50 m Größe aufzeichnen kann, sowie einer im infraroten Bereich arbeitenden Nutzlast mit einer Auflösung von 400 m. Der Satellit wird eingesetzt zur Katastrophenprävention und -hilfe, zur Überwachung von geologischen Katastrophen, Waldbränden und zur Wettervorhersage. Im Fokus steht China und dessen benachbarten Gebiete innerhalb einer Fläche von 7.000 × 7.000 km. Weitere Informationen: Gaofen (China Space Report)
Gaofen-5	Chinesischer Erdbeobachtungssatellit, der am 9. Mai 2018 mit einer Trägerrakete Langer Marsch 4C vom Kosmodrom Taiyuan ( Provinz Shanxi) auf eine polare Umlaufbahn in ca. 680 km Höhe gebracht wurde. GF-5 ist ausgerüstet mit sechs Instrumenten zur Erd- und Umweltbeobachtung. Dazu gehören ein bildgebendes Hyperspektralgerät (Advanced Hyperspectral Imager), ein Multispektralsensor für den sichtbaren und infraroten Bereich, ein Instrument zum Monitoring von Treibhausgasen, ein hyperspektraler Detektor zu Umweltuntersuchungen der Atmosphäre und eine Mehrfachwinkel-Polarisationskamera. So können umfassende Erkundungen gemacht werden, etwa über Boden und Gewässer, Mineralien und Gestein sowie luftverschmutzende Gase, Treibhausgase und Wetter. Durch die selbstständige Datenerhebung ist China weniger abhängig von entsprechenden ausländischen Daten. Ein zweites Exemplar (Gaofen 5-02) wurde im September 2021 gestartet. Weitere Informationen: Gaofen (China Space Report) Gaofen-5/5-02 (Gunter's Space Page)
Gaofen-6	Chinesischer Erdbeobachtungssatellit, der am 2. Juni 2018 mit einer Trägerrakete Langer Marsch 2D vom Kosmodrom Jiuquan gestartet und in einen Orbit von 634 km × 647 km Höhe und einer Bahnneigung von 98.05° gebracht wurde. Gaofen 6 ist im Prinzip baugleich mit Gaofen-1. Er verwendet aber eine andere Instrumentenausrüstung , bestehend aus einer panchromatischen/hyperspektralen Kamera mit einer Auflösung von 2/8 m und einer Weitwinkelkamera mit 16 m Auflösung und einer Schwadbreite von 800 km. Beide Kameras verwenden ein Anastigmat-Teleskop mit drei Spiegeln. Beide decken den Bereich von sichtbarem Licht bis NIR (Wellenlänge ~450-900 nm) ab. Gaofen-6 wird vor allem in der Forschung über landwirtschaftliche Ressourcen verwendet. Er kann den Chlorophyll- und anderen Nährstoffgehalt von Pflanzen beobachten und hilft bei der Schätzung der Ernteerträge von Pflanzen wie Mais, Reis, Sojabohnen, Baumwolle und Erdnüssen. Die Daten werden auch bei der Überwachung von Agrarkatastrophen wie Dürren und Überschwemmungen, bei der Bewertung von Landwirtschaftsprojekten und bei der Vermessung von Wald- und Feuchtgebieten eingesetzt.
Gaofen-7	Der am 3. November 2019 gestartete Gaofen-7 ist Chinas erster zivil genutzter 3D-Vermessungs- und Kartierungssatellit mit optischer Übertragung, der die Submetergrenze erreicht. Er kann 3D-Satellitenkarten im Maßstab 1:10.000 für Nutzer in China und in Ländern, die an der Initiative 'Neue Seidenstraße' teilnehmen, liefern. Der von der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie hergestellte Gaofen 7 ist eine Weiterentwicklung der stereoskopischen Kartografie-Satelliten vom Typ Ziyuan 3, besitzt aber eine dreimal so hohe Auflösung von 65 cm für digitale Orthofoto-Aufnahmen (DOM). Da für die höhere Auflösung eine aufwendigere Optik mit größerem Raumbedarf nötig war, konnte man auf dem Satelliten kein drei-Kamera-System unterbringen, sondern wählte stattdessen, wie bei der klassischen Stereoskopie, ein System mit nur zwei in einem Winkel zueinander montierten Kameras. Dazu kommt noch ein Laseraltimeter zur Erfassung der Topografie durch punktweise Entfernungsmessung mit einer vertikalen Auflösung von 30 cm. Mit den Daten dieses Satelliten wurde unter anderem eine genaue topografische Karte des Mount Everest im Maßstab 1:10.000 erstellt. Diese Karte wurde von der chinesischen Expedition verwendet, die am 27. Mai 2020 mithilfe aller vier damals verfügbaren Satellitennavigationssysteme eine präzise Bestimmung der Höhe des Berges unternahm.
Gaofen-8	Chinesischer Erdbeobachtungssatellit, der am 26. Juni 2015 mit einer Trägerrakete Langer Marsch 4B vom Kosmodrom Taiyuan ( Provinz Shanxi) auf eine um 97,3° geneigte polare Umlaufbahn in ca. 490 km Höhe gebracht wurde. GF-8 besitzt einen hochauflösenden optischen Imager. Er dient zur Landbeobachtung, Katastrophenhilfe, Kartierung von Landwirtschaftsflächen, Stadt- und Straßenplanung. Weitere Informationen: Gaofen (China Space Report)
Gaofen-9	Chinesischer Erdbeobachtungssatellit, der am 14. September 2015 mit einer Trägerrakete Langer Marsch 2D vom Kosmodrom Jiuquan auf eine leicht elliptische Umlaufbahn mit einem Perigäum von 620 Kilometern und einem Apogäum von 665 Kilometern gebracht wurde, bei einer Bahnneigung von 98 Grad. Vermutlich ist GF-9 seinem Vorgänger GF-8 ähnlich. Die bildgebende Nutzlast ist in der Lage, Bilder der Erde mit einer räumlichen Auflösung von 0,5 m (panchromatisch) oder 2 m (multispektral) aufzunehmen. Einsatzgebiete des Satelliten liegen vor allem in den Bereichen Stadtplanung, Straßenbau und Landvermessung. Weitere Informationen: Gaofen (China Space Report)
Gaofen-10	Der von der Shanghaier Akademie für Raumfahrttechnologie entwickelte und gebaute Mikrowellen-Fernerkundungssatellit Gaofen 10 sollte an sich bereits am 31. August 2016 gestartet werden. Aufgrund einer Fehlfunktion der 3. Stufe der ebenfalls von SAST hergestellten Trägerrakete Changzheng 4C konnte er jedoch die Umlaufbahn nicht erreichen. Beim zweiten Versuch mit dem Ersatzsatelliten Gaofen 10R am 4. Oktober 2019 gelang der Start. Der Satellit ist wie Gaofen 8 primär für die Planung von Infrastrukturprojekten im Rahmen der Neuen Seidenstraße gedacht, aber auch für die Modernisierung der Landesverteidigung der Partnerländer. Seine Auflösung liegt bei 50 cm.
Gaofen-11	Gaofen-11 ist ein hochauflösender optischer Erdbeobachtungssatellit, der am 31. Juli 2018 mit einer CZ-4B-Rakete vom chinesischen Raumfahrtzentrum Taiyuan aus gestartet wurde. Ein zweiter Satellit, Gaofen 11-02, folgte am 7. September 2020, ein drittes Exemplar, Gaofen 11-03, am 11. November 2021. Die Gaofen-11-Satelliten befinden sich in einer sonnensynchronen Umlaufbahn mit einem Perigäum von etwa 450 Kilometern, einem Apogäum von rund 690 Kilometern und einer Neigung von 97,4 Grad. Die ersten beiden der von der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie hergestellten Satelliten vom Typ Gaofen 11 waren primär für Seidenstraßenprojekte gedacht. Der am 20. November 2021 gestartete dritte Satellit der Serie dient dagegen der Stadtplanung und dem Straßenbau innerhalb Chinas. Neben einer optischen Kamera mit einer Auflösung von 10 cm besitzen diese Satelliten auch Geräte zur sicheren und schnellen Datenübertragung bei besagten Projekten, sowohl zwischen Boden und Satellit als auch von einem Satelliten zu einem Tianlian-Relaissatelliten. Diese von der Akademie für Weltraumkommunikation entwickelten Geräte für Zweiwegkommunikation ermöglichen eine Verarbeitung großer Datenmengen im Orbit, was einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der – in beiden Richtungen gleich schnellen – Übertragungsgeschwindigkeit leistet.
Gaofen-12	Gaofen-12 ist ein Mikrowellen-Fernerkundungssatelliten mit einer Auflösung von 50 cm, ähnlich wie bei der fehlgeschlagenen Mission Gaofen-10. Er hat im Rahmen des Projekts 'Neue Seidenstraße' dieselben Aufgaben wie jener Satellit, verfügt jedoch zusätzlich auch über Kommunikationsgeräte wie der ein Jahr vorher gestartete Gaofen 11. Der von der Shanghaier Akademie für Raumfahrttechnologie hergestellte Gaofen 12 wurde am 27. November 2019 mit einer CZ-4C-Rakete vom chinesischen Raumfahrtzentrum Taiyuan aus gestartet. Der am 30. März 2021 gestartete Gaofen 12-02 ist dagegen nicht für die Neue Seidenstraße gedacht, sondern für eine Bestandsaufnahme des chinesischen Territoriums, für Stadtplanung, für die Klärung von strittigen Bodennutzungsrechten – in China gehört alles Land dem Staat, Land-„Besitzer“ haben nur ein erbpachtähnliches Nutzungsrecht (meist für 70 Jahre) – Straßenplanung, Erntemengenabschätzung sowie den Einsatz bei Waldbränden und Überschwemmungen, möglichst zur Vermeidung dieser Ereignisse durch Überwachung der Vegetationsfeuchtigkeit etc., aber auch zur Koordinierung der Rettungskräfte bei von Rauchschwaden oder Wolken bedecktem Himmel, durch die das Radar hindurchblicken kann.
Gaofen-13	Gaofen-13 ist ein geostationärer Erdbeobachtungssatellit aus der Gaofen-Reihe chinesischer ziviler Fernerkundungssatelliten. Bislang sind keine Einzelheiten bekannt, aber es wird vermutet, dass er eine verbesserte Version des Gaofen-4-Satelliten ist, mit einem deutlich größeren optischen System und einer Auflösung von 15 m. Wahrscheinlich handelt es sich jenen Satelliten, der sich Berichten zufolge bei CAST in der Entwicklung befunden hat. Der Satellit befindet sich auf der Position 117,9° Ost in knapp 36.000 km Höhe. Sein Start erfolgte am 11.10.2020 an Bord einer Langer-Marsch-3B-Rakete von der Raumfahrtbasis Xichang in der Provinz Sichuan im Südwesten Chinas. Der Satellit wird der wirtschaftlichen Entwicklung dienen, indem er Informationsdienste bereitstellt, er wird vor allem für die Landvermessung, die Schätzung von Ernteerträgen, den Umweltschutz, die Wettervorhersage und -warnungen sowie für die Katastrophenvorbeugung und -minderung eingesetzt werden.
Gaofen-14	Gaofen-14 ist ein optischer Fernerkundungssatellit für kartographische Zwecke im Rahmen von Projekten der Neuen Seidenstraße. Er kann weltweit sowohl Orthofoto- als auch hochpräzise Stereobilder machen, mit denen digitale topografische Karten und digitale Höhenmodelle – sowohl Oberflächenmodelle als auch Geländemodelle – erstellt werden. Der Start erfolgte am 6.12.2020 mit einer CZ-3B/G5-Trägerrakete auf eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 482 km × 495 km Höhe und einer Bahnneigung von 97,36°.

GARS

Engl. Akronym für Geological Application of Remote Sensing; ein gemeinsames Programm von UNESCO und IUGS, das seit 1983 die Nutzung der Fernerkundung in den Geowissenschaften und im Vermessungswesen fördert. GARS bringt die internationale Kooperation auf diesem Feld voran, vor allem zwischen Industrie- und Entwicklungsländern. Die Ziele von GARS sind

• beispielhaft zu demonstrieren, welchen Nutzen moderne Techniken der Fernerkundung für geologische Fragestellungen besitzen;
• durch gemeinsame Feldforschung zum Technologietransfer in die Entwicklungsländer beizutragen und
• dafür zu sorgen, dass Daten und Forschungsergebnisse möglichst weltweit zugänglich werden.

GARS ist vor allem ein Katalysator von Kooperationen zwischen geowissenschaftlichen Forschungsinstituten und Raumfahrtbehörden. Daten werden derzeit kostenlos von der US-amerikanischen, der japanischen, der kanadischen und der europäischen Raumfahrtbehörde bereit gestellt. In Deutschland haben sich insbesondere Experten der Bundesanstalt für Geowissenschaft und Rohstoffe (BGR) in Hannover in das GARS-Programm eingebracht. In GARS-Projekte zugunsten von Entwicklungsländern werden immer Partnerorganisationen aus dem Zielland eingebunden.

GARS ist in Phasen strukturiert, derzeit läuft die vierte Phase.

• In Phase I wurden von 1984 bis 1988 Methoden entwickelt, um geologische Karten der tropischen Gebiete Ostafrikas auf der Basis von mit verschiedenen Sensoren gewonnenen Daten der Fernerkundung zu erstellen.
• In Phase II von 1989 bis 1992 wurden Lawinengefahren in den Anden mit Hilfe von Satellitendaten und Radarinformation kartiert.
• In Phase III von 1995 bis 2001 wurden vulkanische Aktivitäten auf den Philippinen sowie mögliche Maßnahmen zur Milderung ihrer Folgen erforscht.
• Die laufende Phase IV von GARS steht im Kontext der globalen Initiativen zur Umweltbeobachtung IGOS und GEOSS. GARS erstellt darin Übersichten über Geo-Risiken und über Grundwasserressourcen in Afrika und im Nahen Osten. Zum Thema Grundwasserressourcen bzw. Hydrogeologie besitzt UNESCO eine besonders hohe Kompetenz, dank ihres bewährten „Internationalen Hydrologischen Programms“.

Seit der Jahrtausendwende werden verstärkt neue Fernerkundungstechniken wie etwa Laserscan-Methoden, Radardateninterpretation und digitale Landschaftsvermessung genutzt. Damit erreicht das GARS-Programm eine neue Qualität.

Weitere Informationen:

• GARS Startseite (UNESCO)

Gauß-Kurve

Syn. (Gaußsche) Normalverteilung, nach C.F. Gauß (1777-1855) benannte, aber schon früher definierte Häufigkeitsverteilung bzw. Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, welche die Form einer symmetrischen Glockenkurve besitzt und dieser Funktion folgt:

µ=Mittelwert σ=Standardabweichung des betreffenden Datensatzes

Für µ=0 und σ=1 geht die Gauß-Kurve in die standardisierte Normalverteilung über, die man in der Statistik-Literatur tabelliert vorfindet. Die Gauß-Kurve findet allgemein und speziell in den Geowissenschaften häufige Anwendung, u.a. bei der Fehlerrechnung.

Gauß-Kurve Gaußsche Normalverteilung bei verschiedenen Werten der Standardabweichung σ. Die gepunktete Linie ist hinsichtlich der Gauß-Kurve σ=1 jeweils die Tangente an den Wendepunkten (kleine ausgefüllte Kreise), sie schneidet die Abszisse jeweils im Abstand 2σ vom Mittelwert µ. Quelle: Lexikon der Geowissenschaften

GCOM

Engl. Akronym für Global Change Observation Mission; GCOM ist ein JAXA-Projekt zur Langzeitbeobachtung von Umweltveränderungen auf der Erde. Als Teil von Japans Beiträgen zu GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) wird GCOM mit zwei Satellitenserien für 10 bis 15 Jahre mit der Beobachtung und Nutzung globaler geophysikalischer Daten wie Niederschlag, Schnee, Wasserdampf, Aerosol, für die Vorhersage des Klimawandels, das Wassermanagement und die Ernährungssicherheit fortgesetzt.

Am 18. Mai 2012 wurde der erste Satellit "GCOM-W1" (Spitzname "Shizuku") gestartet. Am 23. Dezember 2017 wurde der zweite Satellit "GCOM-C1" (Spitzname "Shikisai") ins All gebracht.

GCOM-W1
Der im Mai 2012 vom japanischen Startzentrum Tanegashima an der Spitze einer Rakete des Typs H-IIA in den Weltraum gestartete GCOM-W1 ist die erste Einheit dieser Reihe. Der rd. 1.880 kg schwere Satellit ist auf die Überwachung großer Wasserflächen sowie Schnee spezialisiert. Dazu ist er mit einem hochentwickelten Mikrowellenradiometer (Advanced Microwave Scanning Radiometer 2, AMSR-2) ausgestattet, das die unter ihm liegenden Flächen mit einer Schwadbreite von 1.450 km abtastet. Eine 2 Meter durchmessende Antenne soll 5 Jahre ununterbrochen rotieren und von Wasserflächen reflektierte Mikrowellenstrahlung bodengestützter Systeme in 6 Bereichen zwischen 7 und 89 GHz erfassen. Daraus sollen sich Angaben über Niederschläge, Wasserdampfkonzentration, Windgeschwindigkeiten, Meereswassertemperaturen, Wasserstände und Schneehöhen gewinnen lassen. Aufgrund der Stärke der emittierten Mikrowellen ist das AMSR-2 in der Lage, die Meereswassertemperatur auf ein halbes Grad genau zu messen. Mit diesen Eigenschaften wird AMSR-2 auch zum Monitoring von El Niño und La Niña beitragen.

AMSR-2 und die gewählte annähernd kreisförmige sonnensynchrone Umlaufbahn des Satelliten in rund 710 Kilometern über der Erdoberfläche mit einer Neigung von 98,2 Grad gegen den Erdäquator ermöglichen es, über 99 Prozent der Erdoberfläche alle zwei Tage abzutasten. Die Auslegung des rotierenden Antennensystems erfolgte so, dass es bei einem Einsatz rund um die Uhr mit einer Drehgeschwindigkeit von einer Umdrehung alle 1,5 Sekunden über fünf Jahre Dauerbetrieb ohne Unterbrechung überstehen soll.

GCOM-W1 ist Teil einer Satellitenformation, die als der “A-Train” bekannt ist. Das sind ausschließlich Umwelt-Forschungssatelliten mit unterschiedlichsten Aufgaben und von unterschiedlichen Ländern, die auf der gleichen Bahn im Abstand von nur wenigen Minuten (manche sogar nur Sekunden) hintereinander fliegen. Zunächst bestand der A-Train aus Satelliten der NASA und der CNES. Shizuku ist Japans erster Beitrag dazu. Sinn des A-Trains ist es, besondere Phänomene auf der Erde mit einer möglichst großen Anzahl an Instrumenten und nahezu gleichzeitig beobachten zu können. Der A-Train bewegt sich in einer Umlaufbahn bei einer Inklination von 98,2 Grad und in einer Höhe 700 Kilometern.

GCOM-C1
Der Satellit GCOM-C1 (Global Change Observation Mission - Climate) ist das erste Exemplar der GCOM-C-Serie, er überwacht den globalen Klimawandel durch Beobachtung der Erdoberfläche und der Atmosphäre der Erde über einen Zeitraum von 5 Jahren. Mit Hilfe seines optischen Instruments SGLI (Second Generation GLobal Imager) sammelt er Daten über den Kohlenstoffkreislauf und den Strahlungshaushalt, z.B. Messungen von Wolken, Aerosolen, der Farbe der Ozeane, der Vegetation sowie von Schnee und Eis. Ausgehend von seiner sonnensynchronen Umlaufbahn (Höhe 798 km) liefert SGLI alle 2-3 Tage ein vollständiges Bild der Erde mit einer Auflösung von 250-1000 m über das UV-, sichtbare und Infrarotspektrum. Die Masse des Satelliten beträgt 2020 kg.

Weitere Informationen:

• Global Change Observation Mission 1st - Water "SHIZUKU" - Startseite (JAXA)
• The AMSR2 Microwave Imager (COMET MetEd)
• GCOM-W1-Profil im CEOS EO Handbook (CEOS / ESA)
• GCOM (eoPortal Directory)

GCOS

Siehe Global Climate Observing System

Gebirge und Fernerkundung

Gebirge stellen Ressourcen-, Lebens- und Erholungsräume dar. Sie erbringen Dienstleistungen für die menschliche Bevölkerung sowohl innerhalb ihrer Grenzen, als auch in ihrem Vorland, darunter Wasser, Wasserkraft und Holz sowie Orte für Freizeit- und tourismusbezogene Aktivitäten.

Gebirge reagieren sensibel auf äußere Einflüsse wie die Intensivierung der Landnutzung oder andere Umwelteinflüsse. Gravitative Massenbewegungen, wie Felsstürze, Steinschläge, Rutschungen und Muren sind natürlich auftretende Prozesse in alpinen Räumen, insbesondere in den tief eingeschnittenen Tälern. Durch den steigenden Bedarf an Siedlungsraum und die Veränderung durch den Klimawandel besonders im Hochgebirge, stellen diese Prozesse zunehmend eine Bedrohung für Mensch und Infrastruktur z. B. in den Alpen dar.

Infolge der anhaltenden allgemeinen Klimaerwärmung verändern sich viele der Komponenten des Umweltsystems, aus denen sich diese Güter und Dienstleistungen ableiten, rasch, oft mit nachteiligen Folgen. Einige dieser Veränderungen, wie der weit verbreitete Rückzug der Gebirgsgletscher und der Rückgang der saisonalen Schneehöhe, -ausdehnung und -dauer, sind tiefgreifend und deutlich sichtbar. Andere - zum Beispiel die Reaktionen der Vegetation, des Permafrosts und der Artenvielfalt - verlaufen etwas langsamer und subtiler, sind aber dennoch erkennbar.

Die Nähe von steilem Gelände zu Seen, Eis und Schnee in alpinen Regionen kann dazu führen, dass sich entfernte Hangrutschungen oder Gletscherinstabilitäten schnell zu katastrophalen Gefahrenkaskaden entwickeln. Die negativen Auswirkungen solcher Ereignisse können gemildert werden, wenn Hang- oder Gletscherinstabilitäten sowie veränderte Gefahrenbedingungen frühzeitig erkannt und genau überwacht werden.

Unter diesen Umständen sind Behörden und andere Interessengruppen mit Entscheidungsverantwortung auf die wissenschaftliche Forschung angewiesen, um robuste Vorhersagemodelle zu entwickeln, die den Entwurf und die Umsetzung geeigneter, zukunftsorientierter Strategien zur Abschwächung, Anpassung, Intervention und zum Umweltmanagement unterstützen können. Die Entwicklung solcher Modelle erfordert ein solides konzeptionelles Verständnis und damit die Verfügbarkeit von ausreichend umfangreichen, informativen und repräsentativen Umweltdaten. In Gebirgsregionen stößt man bei der Suche nach den erforderlichen Daten jedoch in der Regel auf zahlreiche Herausforderungen, insbesondere auf den schwierigen Zugang, die rauen Bedingungen und die beträchtliche Vielfalt sowie die hohe räumlich-zeitliche Variabilität der Phänomene. Darüber hinaus sind viele wichtige Systemkomponenten über eine Reihe komplexer Prozessinteraktionen und Rückkopplungsmechanismen eng miteinander verbunden. Häufig sind daher stark inter- bis transdisziplinäre Perspektiven erforderlich.

Besondere Eignung hochalpiner Räume für die Gewinnung von Oberflächeninformation mittels Fernerkundung:

• Entlegenheit, Unzugänglichkeit und große Höhenunterschiede benachteiligen terrestrische Informationserhebungen.
• Fernerkundung als hilfreiches Werkzeug für eine flächenhafte und vor allem auch höhenmäßige Extra- bzw. Interpolation der lokal im Feld erhobenen Daten.
• Ihre Berührungslosigkeit und Flächenhaftigkeit machen luft- und weltraumgestützte Fernerkundungsmethoden bei vielen Fragestellungen (Landnutzung, Veränderungserkennung, Naturgefahren im Hochgebirge bedeutsam.

Obwohl in letzter Zeit bedeutende Fortschritte in der Fernerkundungstechnologie gemacht wurden, sind sie kein Allheilmittel in gebirgigem Gelände. In-situ-Beobachtungen spielen in vielerlei Hinsicht nach wie vor eine entscheidende Rolle.

Inzwischen hat die Satellitenfernerkundung die Verfügbarkeit von Daten zu bestimmten Umweltvariablen erheblich verbessert. So können beispielsweise Schneehöhen und Vegetationsbedeckung routinemäßig mit mittlerer bis hoher räumlicher Auflösung aus freien und offenen Daten abgerufen werden, die von Organisationen und Diensten wie der NASA und Copernicus bereitgestellt werden. Dieser rasche Fortschritt bei den Fernbeobachtungstechnologien und Abrufmethoden ist ein starkes Argument für die Notwendigkeit, sich rasch auf gemeinsame Standards zu einigen und so in Zukunft konsistentere und interoperable Datenprodukte zu erzeugen. Bei Variablen, die sowohl aus der Ferne als auch an Ort und Stelle gemessen werden können, ergänzen sich diese Datenquellen aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf die räumliche und zeitliche Abdeckung, häufig in hohem Maße.

Für mehrere andere Variablen, die in Gebirgen von Bedeutung sind, ist es jedoch nach wie vor nicht möglich, über die Fernerkundung überhaupt Daten oder aber Daten mit der erforderlichen räumlichen und zeitlichen Auflösung, Abdeckung und/oder Genauigkeit zu erhalten, so dass sie für Anwendungen in Gebirgen von Nutzen sein könnten. Dies gilt insbesondere für die weltraumgestützte FE.

Obwohl einige wichtige Gebirgsvariablen heute offensichtlich durch Fernerkundung ermittelt werden können - die Fernerkundung bietet hervorragende Möglichkeiten zur Ableitung von Variablen, die sich auf die Landoberfläche und die Energiebilanz beziehen und oft als "Bindeglieder" zwischen den Disziplinen fungieren -, ist es ebenso wahr, dass viele Variablen praktisch nach wie vor nur in situ gemessen werden können. Bestimmte andere Variablen, wie z. B. räumlich integrierte Flüsse und Speicher, die den Untergrund der Hydrosphäre betreffen, können nur aus Modellsimulationen abgeleitet werden.

Der verstärkte Einsatz von UAVs wird viele Beobachtungslücken, die durch Unzugänglichkeit bei terrestrischer Beobachtung, sowie durch räumliche und zeitliche Auflösungslücken bei (weltraumbasierte) Fernerkundungsverfahren noch bestehen, reduzieren.

Die Hauptkomponenten von Gebirgsumweltsystemen und die damit verbundenen Veränderungsprozesse, die in vielen Gebirgsregionen der Welt entweder bereits im Gange sind oder für die Zukunft erwartet werden

Gebirgsumweltsysteme sind in der Regel durch eine zerklüftete Topographie und oft komplexe geologische Strukturen verfestigter und unverfestigter Art gekennzeichnet. Da sie in hohem Maße miteinander verbunden sind, werden sich Veränderungen einzelner Komponenten und Prozesse wahrscheinlich weit ausbreiten und möglicherweise entweder positive (d. h. verstärkende) oder negative (d. h. begrenzende) Rückkopplungsmechanismen auslösen.

(1) Zunehmende Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre;
(2) Veränderungen des Strahlungsantriebs, der Lufttemperatur und des Niederschlags (einschließlich der Niederschlagsintensität und gegebenenfalls des Verhältnisses von Regen und Schnee);
(3) zunehmend negative Gletschermassenbilanz oder Gletscherrückgang (veränderte Albedo und Wasserspeicherung);
(4) veränderte Schneedynamik (veränderte Albedo und Wasserspeicherung, möglicherweise auch Auswirkungen auf die Vegetation);
(5) steigende Baumgrenzen (veränderte Albedo);
(6) erhöhter Artenreichtum oder Biomasse in Gipfelregionen;
(7) sich ändernde Evapotranspiration und Sublimationsdynamik;
(8) Auftauen von Permafrost und Blockgletschern;
(9) sich ändernde Strömungsdynamik (einschließlich der Beiträge von Quellkomponenten);
(10) beschleunigter Nährstoffkreislauf zwischen Atmosphäre, Boden und Vegetation;
(11) Änderungen der Gletscherschuttbedeckung (Änderung der Albedo);
(12) Veränderungen des atmosphärischen Transports und der Ablagerung von Staub, Aerosolen und Ruß;
(13) Veränderungen der Wassertemperaturen und der Ökologie von Seen;
(14) Veränderungen der hydrologischen Verteilung an der Landoberfläche und des Austauschs zwischen Oberflächen- und Grundwasser im Allgemeinen;
(15) Veränderung der Grundwasseranreicherung, -speicherung, -strömung und -abflussdynamik in Grundwasserleitern und nicht konsolidierten Grundwasserleitern (z. B.,
(16) veränderte Umverteilung von Schnee durch Wind;
(17) veränderte Lawinengefahr;
(18) veränderte Hochwassergefahr (pluviale, fluviale und Gletscherseeausbrüche);
(19) zunehmende Häufigkeit und Schwere von Dürren;
(20) veränderte Erosion, Sedimenttransport und Ablagerungsdynamik sowie Murganggefahr;
(21) zunehmende Hanginstabilität und Steinschlaggefahr;
(22) potenzielle Freisetzung von Kohlenstoff aus gefrorenen Gebirgsböden;
(23) Änderung des atmosphärischen Dampfdrucks;
(24) Änderung der Fließgeschwindigkeit von Gletschern;
(25) zunehmender Transport von anthropogenen Ozonvorläufern und anschließende erhöhte Auswirkungen auf die Biosphäre;
(26) Änderung der oberflächennahen Lufttemperaturgradienten und der orographischen Niederschlagsgradienten;
(27) sich ändernde synoptische Wettermuster; und
(28) Änderungen der Wolkenbedeckung und des Wolkenstrahlungsdrucks.
Diese Abbildung erhebt nach Angaben der Autoren keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern soll vielmehr als Diskussionsgrundlage, Identifizierung und Einstufung potenzieller EMCVs dienen.

Toward a definition of Essential Mountain Climate Variables (ScienceDirect 2021)

Einsatzfelder von Fernerkundung in Gebirgen

• Satellitendaten-basierte 3-D-Modelle von Gebirgspartien als Planungs- und Orientierungshilfe für Alpinisten (DLR)
• Katastrophenprävention (Erdrutsche, Lawinen, Schlammlawinen, Überschwemmungen)
• Inventarisierung von Gletscherseen in Hochgebirgen, z. B. zur Risikobewertung von möglichen Gletscherseeausbrüchen ( Glacial Lake Outburst Flood, GLOF)
• Erscheinungsformen und Auswirkungen von Prozessen des Globalen Wandels (Klimawandel und Globalisierung) in den Gebirgsräumen der Erde
• Beobachtung von Gletscherbewegungen
• Beobachtung der Vegetationsentwicklung (z. B. Life Reclaims Mount St. Helens), der Blattflächenindex (leaf area index, LAI) als weithin verwendeter Indikator für die Produktivität der Vegetation

Basierend auf einer Vielzahl von Fernerkundungsdatensätzen gilt es, geeignete Methoden zu entwickeln und sich an der Erarbeitung und Umsetzung von Strategien für eine nachhaltige Nutzung und Entwicklung in Gebirgsräumen zu beteiligen.

Solche Methoden und Arbeitsabläufe ermöglichen Grundlagenforschung und unterstützen Langzeitforschungsvorhaben insbesondere bei Fragestellungen der Geomorphologie, Naturgefahrenforschung, Vegetationskartierung und Landnutzung.

Beim Photomonitoring hat die große Verfügbarkeit von Bildern im Gefolge der digitalen Photographie im terrestrischen wie auch im luftgetragenen Einsatz, unterstützt durch eine höhere Rechenleistung, dazu geführt, dass die Bildverarbeitung auch fürerschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden, verarbeitet werden, wobei Techniken wie Veränderungsdetektion (Change Detection, CD), Bildsegmentierung (Image Segmentation, IS), Bildklassifizierung (Image Classification, IC) und Bewegungsschätzung (Motion Estimation), zum Beispiel auf der Grundlage von digitaler Bildkorrelation (Digital Image Correlation, DIC) und Algorithmen von optischem Fluss (Optical Flow, OF), wodurch die Überwachung von Veränderungen und Dislokationen auf Sub-Pixel-Ebene möglich wird.

Heute können multitemporale Szenen die Erscheinungsformen und Auswirkungen von Prozessen des Globalen Wandels in den Gebirgsräumen der Erde dokumentieren. Mit Hilfe von umfangreichen Datenbanken und Modellen zur Beobachtung und Analyse forscht beispielsweise das österreichische IGF-Team Mensch-Umwelt-Systeme in Gebirgen im Bereich der Kryosphäre (Gletscher und Permafrost), Lithosphäre (Hangrutschungen), Biosphäre (Biodiversität) und Anthroposphäre (bevölkerungsgeographische Prozesse, Landnutzungs-, Landbedeckungs- und Kulturlandschaftswandel, Schutzgebietsentwicklung).

Eine besondere Rolle bei der Entwicklung neuer Monitoringverfahren spielen Fragen der Datenintegration von Nahbereichserkundungs- und Satellitendatensätzen. Solche Datensätze werden beispielsweise mit Hilfe von Drohnen, seismischen und Infraschallsensoren, Laserscannern und GPS-Daten von Satellitensensoren erstellt. Zur Bewältigung der inzwischen exponentiellen Datenzunahme helfen Cloud Computing, künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen.

Sensorik und Plattformen zum Gebirgsmonitoring

• Flugzeuggetragene und auch bodenbasierte Laserscanner zur millimetergenauen Geländevermessung. Über Kartendarstellungen der Höhendifferenzen können damit die Bewegung und die Schmelze schuttbedeckter Eisflächen sichtbar gemacht werden. Deren Kenntnis ist von Bedeutung, da das Abgleiten des Schutts auf Eisresten und ausbrechende Wasseransammlungen zu Muren und Steinschlag führen können, die Straßen, Schutzhütten, Wanderwege und andere Infrastruktur beschädigen. (IGF)
  In höher liegenden Regionen wie dem Himalaya, wo einerseits mehr Zeit bleibt, andererseits aber die Abhängigkeit der Menschen vom Schmelzwasser höher ist, kann die Technologie in Zukunft hilfreich sein, um sowohl das Gefahrenpotential als auch die Wasserspende besser abzuschätzen.
• Satellitengestütztes abbildendes Radar vom Typ SAR (Synthetic Aperture Radar), z.B. auf den Satelliten Sentinel-1 zu Bestimmung von Gletscherbewegungen (Retreat)
• Satellitengestütztes INSAR oder auch von GNSS zum Deformationsmonitoring, z. B. im Umfeld von Staudämmen (KIT 2021). Das KIT verwendet im Falle InSAR Radardaten der Satelliten Terra-SAR-X, Sentinel-1 und ALOS-2 als Datengrundlage. Dadurch können drei unterschiedliche Wellenlängen im X-, C- und L-Band ausgewertet werden.
• Photomonitoring mit Hilfe von digitaler Photographie basiert auf UAVs und Flugzeugen
• Thermalbilder gewonnen mit Hilfe von UAVs
• Optische FE-Systeme wie ASTER auf dem Satelliten Terra, Chinas hochauflösende Multispektralkameras auf dem Satelliten Gaofen-2, die Planet-Satelliten SkySat, PlanetScope (CubeSats) und RapidEye mit ihren hohen Wiederbesuchsraten, das Multispectral Instrument (MSI) auf Sentinel-2, MODIS an Bord von Terra und Aqua, OLI und TIRS auf Landsat

Weitere Informationen:

• Mittels Drohnen die Schneehöhe erfassen (SLF)
• Automatische Detektion von Lawinen in Fernerkundungsdaten (SLF)
• Verfahren der Fernerkundung und ihr Einsatz in der Gebirgsforschung (Heinrich, K. 2007)
• Fernerkundung (SLF)
• Institut für Interdisziplinäre Gebirgsforschung (IGF) - Startseite
• Glacier and Permafrost Hazards in Mountains (GAPHAZ) - Startseite
• Monitoring von gravitativen Massenbewegungen mittels terrestrischem Laserscanning und terrestrischer Radar-Interferometrie am Beispiel des Hüttschlag-Felssturzes (DCNA 2020)
• GLIMS: Global Land Ice Measurements from Space (GLIMS) - Monitoring the World's Changing Glaciers
• CryoSat reveals ice loss from glaciers in Alaska and Asia (ESA 2021)
• Climate Change in Mountain Ecosystems (CCME) (USGS)
• Hunting Landslides with Landsat (NASA EO 2013)
• Satellite Spots Massive Tonzang Landslide (NASA EO 2015)
• Tracking Three Decades of Dramatic Glacial Lake Growth (NASA / YouTube 2020)
• Warnsignal Klima: Hochgebirge im Wandel (Hrsg. J. L. Lozán et al. 2020)
• The State of Remote Sensing Capabilities of Cascading Hazards Over High Mountain Asia (Frontiers in Earth Science 2019)

Gegenstrahlung

Engl. downward atmospheric radiation, franz. rayonnement opposé; nach DIN 18716 "Teil der infraroten Strahlung, die von absorbierenden atmosphärischen Gasen zur Erde zurückgesandt wird". Folgende Anmerkung ist beigefügt: "Die Gegenstrahlung bezieht sich üblicherweise auf einen Wellenlängenbereich zwischen 3 µm und 100 µm."

gekoppeltes System

Zwei oder mehr Prozesse, die sich gegenseitig beeinflussen.

Geländedaten

Siehe ground truth

Genetrix

Syn. WS-119L; Bezeichnung für ein früheres Projekt der US-Luftwaffe, bei dem hochfliegende Ballone mit Spionagekameras in den Strahlstrom der Atmosphäre eingebracht wurden. Sie trieben dort in 15 - 30 km Höhe – damit außerhalb der Reichweite von damaligen Kampfflugzeugen - von Westen nach Osten über Osteuropa, die Sowjetunion und das kommunistische China.

Im Januar und Februar 1956 wurden insgesamt 516 Ballone von den 5 Startplätzen Gardermoen (Norwegen), Evanton (Schottland), Oberpfaffenhofen und Giebelstadt (Westdeutschland) und Incirlik (Türkei) gestartet. Nachdem sie den internationalen Luftraum über dem westlichen Pazifik erreicht hatten, wurden die Kameras abgetrennt und schwebten an einem Fallschirm in Richtung Erde. Flugzeuge des Typs C-119 fingen die Kameras dann mit einem speziellen Haken ein. 54 wurden geborgen, lediglich 31 lieferten brauchbare Fotos.

Zahlreiche Ballons wurden abgeschossen oder vom Kurs abgetrieben. MiG-Kampfpiloten hatten gelernt, dass bei Sonnenaufgang die Ballons in tiefere Höhen und damit in Schussdistanz abgesunken waren, da in der kalten Nachtluft das Ballongas abkühlte, dichter wurde und den Auftrieb verringerte. Die Flüge führten zu vielen diplomatischen Protesten, sodass Präsident Eisenhower das Programm noch im Februar 1956 beendete.

Technologisch konnte das Projekt WS-119L auf vorangegangene wissenschaftliche und militärische Programme zurückgreifen, wie Moby Dick, Skyhook, Mogul und Grandson. Das Bergungsverfahren des Genetrix-Projekts wurde später erfolgreich im Rahmen des Aufklärungssatellitenprogramms Corona eingesetzt.

Die vielen vermeintlichen UFO-Sichtungen um die Mitte des 20. Jahrhunderts gehen möglicherweise auf die Ballonaktivitäten all dieser Programme zurück.

Weitere Informationen:

• Cold War Balloon Flights 1945:1965 (AirVectors)

GEO

1. Engl. Akronym für Geostationary Earth Orbit, geostationäre Umlaufbahn; Typ von Umlaufbahn für Satelliten in 35.768 km Höhe über dem Äquator, die für den Betrachter auf der Erde über dem Horizont feststehen (geostationär erscheinen), da die Umlaufzeit der Satelliten um die Erde exakt der Rotationsdauer der Erde entspricht (siderischer Tag, d. h. 23 h, 56 min, 4 s).
   Satellitenantennen, die auf einen Satelliten auf dieser Umlaufbahn gerichtet sind, brauchen daher diesem Satelliten nicht zu folgen und können starr montiert werden. Diese Bahn wird auch Clarke-Orbit genannt. Mit drei Satelliten auf einer GEO ist daher eine Versorgung nahezu der gesamten Erdoberfläche möglich. Eine Ausnahme bilden die Pole, da zur Funkversorgung eine Elevation von ca. 10 Grad notwendig ist.
   Einsatzzwecke geostationärer Satelliten liegen hauptsächlich im Bereich der Kommunikation, der Raketen-Frühwarnung, aber auch Wettersatelliten nutzen die Vorteile dieses Orbits. Z. B. wird diese Art von Bahn von den aktuellen Inmarsat-Systemen genutzt.
   2014 umkreisten ca. 400 Satelliten die Erde auf der GEO, von denen allerdings einige nicht operationell waren. Die Position eines Satelliten auf der Umlaufbahn wird auch Slot oder Orbital-Slot genannt. Die Positionen werden durch die internationale Organisationen wie der ITU zusammen mit nationalen Organisationen verwaltet. Eine Position wird durch eine Angabe in Grad definiert. Dabei gilt, dass die gesamte Bahn einen Umfang von 360 Grad hat. Durch die wachsende Zahl von Satelliten zusammen mit verbesserter Technik ist es notwendig und möglich geworden, den von einem Satelliten benötigten Platz auf der GEO immer weiter zu verringern. Für moderne Satelliten werden nur noch 2 Grad benötigt. Die Inklination liegt (weil Kreisbahn) bei 0 Grad.
2. Engl. Akronym für Group on Earth Observations; die 2005 geschaffene zwischenstaatliche GEO soll die globale Erdbeobachtungs-Infrastruktur und daraus gewonnene Daten besser koordinieren und verfügbar machen.
   Beteiligt sind z. Z. (2017) 104 Länder und die Europäische Kommission. Zusätzlich sind 64 Organisationen mit einem Mandat zur Erdbeobachtung als 'Participating Organizations' anerkannt. Entwicklungsländern soll der Zugang zu Erdbeobachtungsdaten erleichtert und ihre Nutzungskompetenz ausgebaut werden. Speziell für Fragen des globalen Wandels werden umfassende und verlässliche Beobachtungen benötigt.
   
   Ziel ist, bestehende in situ-Beobachtungsnetze mit luftgetragenen und weltraumbasierten Plattformen zu verbinden, um letzlich ein globales Erdbeobachtungssystem der Systeme (GEOSS) zu schaffen. Diese Informationen von mehr als 200 Millionen öffentlichen Datenbanken sind besonders im Hinblick auf den globalen Wandel von Interesse. Sie sollen dabei helfen, die ökologischen, wirtschaftlichen und sozialen Entwicklungen und deren Folgen abschätzen zu können. Hierzu sollen neben einem umfassenden Datenzugangsportal, dem GEO-Portal, auch kostengünstige globale Datenverteilsysteme, wie etwa GEONETCast, beitragen.
   
   GEO hat zudem eine Reihe von fachlichen Initiativen ins Leben gerufen, die bislang nur unzureichend gedeckte Informationsbedarfe insbesondere globaler Programme etwa in den Bereichen Waldschutz (GEO Global Forest Observation Initiative GFOI), Ernährungssicherheit (GEO Global Agricultural Monitoring Initiative GEOGLAM) und Erhalt der Artenvielfalt (Global Biodiversity Observation Network GEO-BON) adressieren.
   
   Nach Ablauf einer ersten Zehnjahresphase verabschiedete der GEO Erdbeobachtungsgipfel in Mexiko im November 2015 einen GEO Strategieplan 2016-25 und verlängerte so das Mandat für weitere 10 Jahre. Deutschland engagiert sich bereits seit Gründung von GEO 2005 intensiv an der Gestaltung und Umsetzung dieser Initiative und bringt seine Kompetenzen in der Entwicklung und im Betrieb von Erdbeobachtungssystemen sowie in der Auswertung der erhobenen Daten ein. GEO bietet Europa eine attraktive Plattform für interdisziplinäre weltweite Kooperation. Die europäische Ebene ist für Deutschland von großer Bedeutung, da viele relevante Beiträge im europäischen Verbund finanziert und organisiert werden. Prominente Beispiele dafür sind die Forschungsrahmenprogramme der Europäischen Union (EU), das europäische Erdbeobachtungsprogramm Copernicus, die Programme der Europäischen Organisation für den Betrieb meteorologischer Satelliten (EUMETSAT) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), sowie die INSPIRE Initiative für eine europäische Geodateninfrastruktur.
   
   

Weitere Informationen:

• Der Planet im Spiegel seiner selbst (FTE info Nr. 44 Februar 2005)
• The Full Picture (GEO 2007)
• Crafting Geoinformation - The art and science of Earth observation (GEO 2010)
• Group on Earth Observations - Startseite
• GEO brochure (GEO Secretariat Office)
• GEO Strategic Plan 2016-2025: Implementing GEOSS (GEO)
• Die Group on Earth Observations und das Global Earth Observation System of Systems (D-GEO)

GEO-KOMPSAT-2

GEO-KOMPSAT-2 (Geostationary - Korea Multi-Purpose Satellite-2) ist eine Zwillingskonstellation der Korean Meteorological Administration (KMA), die GEO-KOMPSAT-2A (GK-2A) und GEO-KOMPSAT-2B (GK-2B) umfasst und eine Fortsetzung des koreanischen Programms für Kommunikations-, Ozean- und Wettersatelliten (COMS) darstellt. Ziel der Mission ist es, geostationäre meteorologische Daten für die Überwachung von meteorologischen Phänomenen in der Region Asien-Ozeanien zu gewinnen. GK-2A startete im Dezember 2018 und GK-2B im Februar 2020.

GEO-KOMPSAT-2A

GEO-KOMPSAT-2A trägt zwei Instrumente: den Advanced Meteorological Imager (AMI) und den Korean Space Environment Monitor (KSEM). AMI ist ein multispektrales Radiometer, das eine kontinuierliche Überwachung für die Erzeugung von hochauflösenden meteorologischen Produkten in nahezu Echtzeit und die Analyse langfristiger Veränderungen der Temperatur der Meeresoberfläche und der Wolkenbedeckung ermöglicht. KSEM besteht aus einem Partikeldetektor (PD), einem Magnetometer (MAG) und einem Satellite Charging Monitor (SCM), die zur Überwachung der Weltraumumgebung und zur Sammlung von Daten über radioaktive Umweltgefahren für das Raumfahrzeug eingesetzt werden.

GEO-KOMPSAT-2B

GEO-KOMPSAT-2B ist mit zwei weiteren Instrumenten ausgestattet: dem Geostationary Environment Monitoring Spectrometer (GEMS) und dem Advanced Geostationary Ocean Colour Imager-II (GOCI-II). GEMS ist ein Spektrometer mit mittlerer Auflösung, das Messungen der Chemie der Atmosphäre und der Vorläufer von Aerosolen und Ozon in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung über Asien durchführt. GOCI-II ist ein Mehrzweck-Imager, der die Farbe der Ozeane misst und Küsten- und Landressourcen überwacht.

Leistungsspezifikationen

AMI nimmt Bilder in 16 Spektralkanälen auf, die vom sichtbaren bis zum thermischen Infrarot reichen (Wellenlängen zwischen 0,47 und 13,3 μm). Die räumliche Auflösung reicht von 0,5 - 1,0 km für die sichtbaren Kanäle und 2 km für die Infrarotbänder. Die Beobachtungszeit im Full-Disc-Modus beträgt 15 Minuten, während die Beobachtungszeit im Local-Area-Modus 30 Sekunden beträgt. AMI hat ein Sichtfeld von 0,9° x 1,9°, ein Blickfeld von 22° und eine Öffnung von 270 mm.

GEMS ist ein hyperspektraler Imager mit einem Spektralbereich von 300 - 500 nm und einer spektralen Auflösung von weniger als 0,6 nm, wobei die Abtastung in Abständen von weniger als 0,2 nm erfolgt. Unter Verwendung eines scannenden UV-Vis-Spektrometers liefern seine Beobachtungen eine Reihe von troposphärischen Säulenprodukten über der asiatisch-pazifischen Region mit einer räumlichen Auflösung von etwa 8 km und einer zeitlichen Auflösung von 1 Stunde.

GOCI-II nimmt Bilder in 12 sichtbaren und Nahinfrarot-Bändern auf und verfügt über ein zusätzliches Breitband, das einen Spektralbereich von 380-900 nm abdeckt. Das Instrument kann ein Gebiet von 2500 km² in der nordostasiatischen See im lokalen Modus mit einer räumlichen Auflösung von 300 m abbilden.

Weitere Informationen:

• GEO-KOMPSAT-2 (eoPortal)

Geobasisdaten

Geobasisdaten sind grundlegende amtliche Geodaten, welche die Landschaft (Topographie), die Grundstücke und die Gebäude anwendungsneutral beschreiben. Neben den Geobasisdaten gibt es die Geofachdaten. Geofachdaten alleine sind ohne Geobasisdaten nicht oder nur schwer interpretierbar, weil eine eindeutige räumliche Zuordnung fehlt. Thematische Karten oder entsprechende Datensätze sind ein Beispiel für die Kombination von Geobasis- mit Geofachdaten.

Die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland (AdV) hat 2005 die nachfolgende Definition beschlossen: "Geobasisdaten sind Daten des amtlichen Vermessungswesens, welche die Landschaft, die Liegenschaften und den einheitlichen geodätischen Raumbezug anwendungsneutral nachweisen und beschreiben. Sie sind Grundlage für Fachanwendungen mit Raumbezug."

Weitere Informationen:

• Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland (AdV) - Startseite

Geodäsie

Griech. Erdteilung; eine Disziplin der Geowissenschaften mit umfangreichen Anwendungen (angewandte Geodäsie) in der Praxis von Wirtschaft (Ingenieurgeodäsie), Verwaltung und Gesellschaft (Vermessungs-, Karten-, Liegenschaftswesen, Geographische Informationssysteme), das bergmännische Vermessungswesen (Markscheidewesen) und das Seevermessungswesen.

Ein großer Teil der praktischen Aufgaben wird am besten wiedergegeben durch die Definition von F. R. Helmert (1880): "Die Geodäsie ist die Wissenschaft von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche", worin auch die kartographische Darstellung und Geoinformationssyteme eingeschlossen sind. Die physikalischen Aspekte kommen besonders in der Aussage von E. H. Bruns (1878) zum Ausdruck: "Das Problem der wissenschaftlichen Geodäsie ist die Ermittlung der Kräftefunktion der Erde", womit das Vektorfeld der Erdschwerkraft, der Resultierenden aus Anziehungs- und Fliehkraft, gemeint ist. Eine wichtige Aufgabe der Geodäsie ist die "Bestimmung der Erdfigur", wobei definiert werden muss, was unter "Erdfigur" verstanden werden soll. Man kann darunter die topographische Oberfläche in ihrer Gesamtheit und Detailliertheit des Reliefs verstehen oder das Geoid als eine ausgewählte Äquipotentialfläche (Niveaufläche) des Erdschwerefeldes. Weitere Möglichkeiten vorwiegend geometrischer Art sind Ellipsoide mit unterschiedlichen Eigenschaften oder Sphäroide als vorwiegend physikalische Modelle.

Das geodätische Meßwesen ist Jahrtausende alt. Es entwickelte sich hauptsächlich aus der Geometrie und schuf selbst viele ihrer Grundlagen; eine andere Wurzel liegt in der mathematischen Geographie. Zu unterscheiden sind bei den metrologischen Aspekten der Geodäsie zwei Grundrichtungen: die mehr physikalische bei der Bestimmung der Parameter des Erdschwerefeldes und die mehr geometrische bei der Ausmessung der Erdoberfläche. Die Methoden zur Bestimmung von Schwerefeldparametern sind Methoden der Gravimetrie, die in ihrer Genauigkeit gesteigert und für globale Anwendung weiterentwickelt wurden. Neue Möglichkeiten erschlossen sich mit der Entwicklung von Absolutgravimetern und Gradiometern sowie von Geräten zum Einsatz in Flugzeugen und auf Schiffen. Äquipotentialflächen der Schwerkraft lassen sich als inverses Problem durch die Lösung von Randwertaufgaben aus geeignet reduzierten gemessenen Schwerewerten ableiten, heutzutage insbesondere auch mit Hilfe der Methoden der Satellitengeodäsie, da die Bahnen der künstlichen Erdsatelliten sowohl Anomalien des Erdschwerefeldes als auch die Lage des Massenmittelpunktes der Erde widerspiegeln und damit dessen Nutzung als Ursprung des globalen geozentrischen Koordinatensystems möglich machen.

Die Erkenntnisse der Geodäsie werden in verschiedener Form abgebildet: als mathematisch-physikalische Modelle, mit Ausdrucksmitteln der Kartographie, zunehmend auch in Dateien und Geographischen Informationssystemen, für die sie zugleich die Raumordnung bereitstellen. Damit bieten sie die Grundlage für räumliche Zuordnungen von Erkenntnissen und Daten zahlreicher Zweige von Wissenschaft, Wirtschaft und Verwaltung. Geodätische Erkenntnisse sind Eingangsgrößen in weitere Erkenntnisprozesse einerseits der Geodäsie selbst und andererseits der benachbarten Geowissenschaften, z.B. Geologie: globale Plattentektonik, Intraplattentektonik, lokale Erdkrustenbewegungen, Geophysik: Massen- und Dichteverteilungen in Erdmodellen, Festerdegezeiten und deren räumliche Anomalien (Viskosität), Erdkrustenbewegungen, Erdrotationsschwankungen und Schwereänderungen als Vorboten bzw. Konsequenzen von Erdbeben, Koppelung zwischen Erdkern- und -mantelrotation, Ozeanographie: Struktur von Äquipotentialflächen der Schwerkraft und Relief in Meeresgebieten.

Weitere Informationen:

• Geodäsie und Geoinformatik: die Kerndisziplin für eine moderne Erdbeobachtung (J. Müller u.a., IPI, Hannover)
• Weltraummethoden revolutionieren Erdbeobachtung (J. Müller u.a., IPI, Hannover)
• Arbeitsplatz Erde (DVW)
• NASA's Brief History of Geodesy - YouTube Spot (NASA)

Geodaten

Raumbezogene Daten der Erdoberfläche, der Lithosphäre und Atmosphäre bis hin zu fachthematischen Sachverhalten aus Wirtschaft, Recht, Verwaltung u.ä. Sie beschreiben Objekte der Realität durch geometrische und inhaltliche Attribute. Geodaten lassen sich z.B. mit Geographischen Informationssystemen erfassen, speichern und weiterverarbeiten. Wichtigstes Kriterium von Geodaten ist der Raumbezug, der i.d.R. auf zwei- oder dreidimensionalen Koordinaten beruht. Grundlage für Geodaten ist in Deutschland u.a. das Amtliche Topographisch-Kartographische Informationsssystem (ATKIS).

In der Geoinformatik beschreibt man mit Geodaten die Eigenschaftswerte von Geoobjekten in Form von Ziffern und Zeichen zur computergerechten Verarbeitung.
Geodaten lassen sich über den Raumbezug miteinander verknüpfen, woraus insbesondere unter Nutzung von GIS- Funktionalitäten wiederum neue Informationen abgeleitet werden können.

Auf und mit ihnen lassen sich Abfragen, Analysen und Auswertungen für bestimmte Fragestellungen durchführen. Geodaten sind als Ware im Geodatenmarkt anzusehen. Geodaten lassen sich in zwei große Teilkomplexe aufteilen, nämlich die Geobasisdaten und die Geofachdaten.

Geobasisdaten sind eine Teilmenge der Geodaten. Zu ihnen zählen insbesondere die Daten der Vermessungsverwaltung, die als Grundlage für viele Anwendungen geeignet sind. Speziell umfasst der Geobasisdatensatz die vorhanden Daten als ALK, ALB und ATKIS sowie die bisher separat geführten DGM und die gescannten topographischen Kartenwerke. Zukünftig zählen hierzu auch die Bilddaten wie Orthophotos, Luft- und Satellitenbilder.

Geofachdaten (oder Fachdaten) sind die in den jeweiligen Fachdisziplinen erhobenen Fachdaten.

Man differenziert ferner in:

• Primärdaten: beruhen auf Messungen oder Erhebungen und wurden durch den Nutzer noch nicht (wesentlich) aufbereitet
  Beispiele: On-Screen-Digitalisierung, Scannen einer Rastergrafik und Transformation in ein Bezugssystem (zweidimensionale Lagekoordinaten), GPS-Messungen (dreidimensionale Lagekoordinaten)
• Sekundärdaten: die aus den Primärdaten abgeleiteten und aufbereiteten Daten
  Beispiele: Geländemodelle, thematische oder topographische Karten
• Metadaten: beschreibende Informationen, u.a. zur Mess- oder Erhebungsmethode, zum Beobachtungsgebiet, zur Datenqualität, zur Ermöglichung, Geodaten in Verzeichnisse aufzunehmen und zu nutzen etc.
  

Nach dem GeoZG sind Geodatendienste vernetzbare Anwendungen, welche Geodaten und Metadaten in strukturierter Form zugänglich machen. Dies sind im Einzelnen:

1. Suchdienste, die es ermöglichen, auf der Grundlage des Inhalts entsprechender Metadaten nach Geodaten und Geodatendiensten zu suchen und den Inhalt der Metadaten anzuzeigen,
2. Darstellungsdienste, die es zumindest ermöglichen, darstellbare Geodaten anzuzeigen, in ihnen zu navigieren, sie zu vergrößern oder zu verkleinern, zu verschieben, Daten zu überlagern sowie Informationen aus Legenden und sonstige relevante Inhalte von Metadaten anzuzeigen,
3. Dienste, die das Herunterladen und, wenn durchführbar, den direkten Zugriff auf Kopien von Geodaten ermöglichen (Downloaddienste),
4. Transformationsdienste zur geodätischen Umwandlung von Geodaten.

Als Geodateninfrastruktur bezeichnet das Gesetz eine Infrastruktur bestehend aus Geodaten, Metadaten und Geodatendiensten, Netzdiensten und -technologien, Vereinbarungen über gemeinsame Nutzung, über Zugang und Verwendung sowie Koordinierungs- und Überwachungsmechanismen, -prozesse und -verfahren mit dem Ziel, Geodaten verschiedener Herkunft interoperabel verfügbar zu machen.

Ein Geoportal ist eine elektronische Kommunikations-, Transaktions- und Interaktionsplattform, die über Geodatendienste und weitere Netzdienste den Zugang zu den Geodaten ermöglicht.

Der international gestiegene Bedarf an öffentlichen Geodaten manifestiert sich heute u.a. durch Initiativen wie INSPIRE (INfrastructure for SPatial InfoRmation in Europe), Copernicus (bisher GMES, Global Monitoring for Environment and Security), GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) und Galileo (europäisches ziviles Satellitennavigationssystem). Die Koordinierung des Bundes im Rahmen dieser Initiativen erfolgt in Deutschland durch den Interministeriellen Ausschuss für Geoinformationswesen (IMAGI).

Die International Organization for Standardization (ISO) hat bisher drei Normen für die Langzeitarchivierung von Geodaten veröffentlicht, zwei davon speziell ausgerichtet auf Fernerkundungsdaten. Diese sind die

• ISO 14721:2012 „Space data and information transfer systems – Open archival information system (OAIS) – Reference model“, die
• ISO 19165-1:2018 „Geographic information – Preservation of digital data and metadata – Part 1: Fundamentals“ und die
• ISO/DIS 19165-2:2019-09 „Geographic information – Preservation of digital data and metadata – Part 2: Content specifications for Earth observation data and derived digital products“ (DIS = Draft International Standard).

Weitere Informationen:

• Geoinformation - Neue Medien für die Einführung eines neuen Querschnittsfaches (Uni Bonn, BMBF)
• Geodatenzugangsgesetz - GeoZG (BMJ 2009)
• GDI-DE / Geodateninfrastruktur Deutschland (BKG)
• Deutscher Dachverband für Geoinformation - Startseite
• Geoinformationen einfach genutzt - 4. Geo-Fortschrittsbericht der Bundesregierung (BMI 2017)
• Geodatendienste im Internet - ein Leitfaden (Koordinierungsstelle GDI-DE)

GeoEye

GeoEye Inc. (vormals Orbital Imaging Corporation oder ORBIMAGE) war eine amerikanische Firma zur Erzeugung und zum Vertrieb von Satellitenbildern mit Sitz in Herndon, Virginia. GeoEye wurde am 29. Januar 2013 von DigitalGlobe corporation übernommen.

Die Firma wurde 1992 gegründet als Teil der Orbital Sciences Corporation in der Folge der Land Remote Sensing Policy Act, die Privatfirmen die Vermarktung von Satellitenbilddaten gestattete. Die Abteilung wurde 1997 vom Konzern abgetrennt. Orbimage änderte im Januar 2006 ihren Namen in GeoEye im Zusammenhang mit der Übernahme der in Denver ansässigen Firma Space Imaging mit deren IKONOS-Satelliten. Damit wurde GeoEye die weltgrößte Firma im Bereich der Satellitenfernerkundung. Zur Zeit besitzt und betreibt GeoEye zwei hochauflösende Erdbeobachtungssatelliten: IKONOS und seit 2008 GeoEye-1 (urspr. vorgesehener Name: OrbView-5). Dazu kamen noch drei Flugzeuge mit höchstauflösenden Sensoren. Die früheren, zunächst von Orbimage betriebenen Satelliten OrbView-2 mit dem SeaWiFS-Sensor und OrbView-3 sind ausgefallen.

Anfang 2013 wurde die im Juli 2012 vereinbarte Fusion von GeoEye mit einem ihrer Hauptkonkurrenten, der Fa. DigitalGlobe (heute Maxar) vom U.S. Justizministerium genehmigt. Die neue Firma verfügt über die weltgrößte Flotte von Erdbeobachtungssatelliten mit hoher Auflösung. Ungefähr 60 % der jährlichen Einkünfte beider Firmen hängen von Aufträgen der amerikanischen Regierung ab, vor allem von Seiten der National Geospatial-Intelligence Agency (NGA).

DigitalGlobe und MDA Holdings Company fusionierten am 5. Oktober 2017 zu Maxar Technologies. Die Marke Maxar Technologies fasst die Aktivitäten von DigitalGlobe, SSL und Radiant Solutions unter einem Dach zusammen. MDA bleibt ein unabhängiges Unternehmen innerhalb der Maxar-Organisation.

Hauptwettbewerber von Maxar ist Airbus Defence and Space.

Weitere Informationen:

• Maxar - Startseite
• GeoEye - Corporate Overview

GeoEye-1

Ursprünglich als OrbView-5 bezeichneter, kommerzieller Erdbeobachtungssatellit der inzwischen von DigitalGlobe übernommenen Firma GeoEye mit Start am 6. September 2008. Die räumliche Auflösung seiner Sensoren beträgt 0,41 m im panchromatischen und 1,65 m im multispektralen Bereich. Da die panchromatischen und die multispektralen Daten gleichzeitig aufgenommen werden, ist die Betreiberfirma durch die Kombination beider Datensätze in der Lage, Farbbilder mit 0,41 m Auflösung anzubieten ('pan-sharpened'). Auch stereoskopische Bilder sind möglich.

President Obama Inauguration Captured from Space

Während der Amtseinführung von Präsident Barack Obama auf dem Capitol Hill am Dienstag, dem 20. Januar 2009 um 11:19 Uhr (EST), nahm der Satellit GeoEye-1 ein Satellitenbild in natürlichen Farben und mit einer Auflösung von 0,41 m auf. Es dokumentiert dieses historische Ereignis und lässt die große Menge an Anhängern erkennen. Aufgrund der derzeitigen Lizenzbeschränkungen in den USA werden die Bilder jedoch auf eine Bodenauflösung von 0,5 m umgerechnet.
Siehe die Zahl der Anhänger von Obama und Trump in vergleichenden Schrägluftaufnahmen.

President Obama Inauguration Captured from Space Quelle: Satimagingcorp.com

GeoEye-1 befindet sich auf einer 681 km hohen sonnensynchronen Umlaufbahn mit einer Inklination von 98°. Die Schwadbreite beträgt dabei 15,2 km wobei die Kameras bis zu 60° außerhalb der Senkrechten Bilder aufnehmen können. GeoEye-1 erfasst täglich eine Fläche doppelt so groß wie Deutschland und schickt die Daten zur Verarbeitung an die Bodenstationen. Dazu verfügt der 1.955 kg schwere Satellit über eine interne Speicherkapazität von 1 Terabit und einen Übertragungskanal mit 150 oder 740 MBit/s im X-Band. Kunden sind unter anderem das US-Landwirtschaftsministerium, Google und die National Geospatial-Intelligence Agency. Als Lebensdauer des Satelliten sind mehr als sieben Jahre geplant, wobei der Treibstoffvorrat für 15 Jahre ausgelegt ist.

Der ursprünglich für 2013 vorgesehene Start von GeoEye-2 wurde nach der Übername von GeoEye durch DigitalGlobe (heute Maxar Technologies) auf den Zeitpunkt verschoben, zu dem der Satellit benötigt wird. Der Satellit wurde später umbenannt in WorldView-4.

Weitere Informationen:

• GeoEye-1: The World's highest resolution commercial earth-imaging satellite - Factsheet
• Maxar - Startseite
• GeoEye-1 (eoPortal Directory)

Geofachdaten

Geofachdaten sind raumbezogene Daten (Geodaten) aus einem bestimmten Fachgebiet, wie zum Beispiel Demographie, Epidemiologie, Bodenkunde, Klimatologie, Wahlstatistik. Häufige Anwendungsgebiete für Geofachdaten sind Erhebungen von Verwaltungen z. B. in den Bereichen Umwelt, Statistik oder Planung. Allgemein können als Geofachdaten alle Geodaten bezeichnet werden, die nicht unter die Geobasisdaten fallen. Im Gegensatz zu Sachdaten sind Geofachdaten grundsätzlich selbständig aussagefähige Geodaten und weisen einen eindeutigen (direkten oder indirekten) Raumbezug auf. Dieser Raumbezug kann entweder direkt durch Koordinaten oder indirekt, z. B. durch Bezug auf Geobasisdaten, Adressangaben, Postleitzahlbereiche, administrative oder statistische Gebietseinheiten wie Gemeindegebiete, Landkreise, Arbeitsamtsbezirke o. Ä. hergestellt werden. Der Raumbezug kann auch auf linienförmige Objekte bezogen sein, wie zum Beispiel Verkehrsdaten.

GEOGLAM

Engl. Akronym für Group on Earth Observations Global Agricultural Monitoring Initiative; GEOGLAM ist die globale Initiative zur Überwachung der Landwirtschaft der "Group on Earth Observations". Sie wurde ursprünglich von den Landwirtschaftsministern der Gruppe der Zwanzig (G20) im Juni 2011 in Paris ins Leben gerufen. Das Hauptziel von GEOGLAM ist die Stärkung der Kapazitäten der internationalen Gemeinschaft zur Erstellung und Verbreitung relevanter, zeitnaher und genauer Prognosen der landwirtschaftlichen Produktion auf nationaler, regionaler und globaler Ebene unter Verwendung von Erdbeobachtungsdaten.

Mit Blick auf die Zukunft arbeitet GEOGLAM an einer Antwort auf die drei großen politischen Herausforderungen unserer Zeit: Nachhaltige Entwicklungsziele der Vereinten Nationen, das Pariser Abkommen zum Klimawandel und das Sendai-Rahmenwerk zur Verringerung des Katastrophenrisikos. Durch die Entwicklung quantifizierter Indikatoren wird GEOGLAM in der Lage sein, mit anderen wissenschaftlichen Gemeinschaften und statistischen Ämtern zusammenzuarbeiten, um politisch relevante Informationen zur Unterstützung einer nachhaltigen Nahrungsmittelproduktion zu entwickeln.

Weitere Informationen:

• GEOGLAM - Global Agricultural Monitoring (GEO Secretariat)
• GEOGLAM Crop Monitor for Early Warning (CM4EW) (UNDRR)

Geographisches Informationssystem (GIS)

Syn. Geoinformationssystem, gelegentlich auch Rauminformationssystem (RIS), raumbezogenes Informationssystem (RBIS); im engeren Sinne eine Software, die Geodaten erfasst, verwaltet und ausgibt. Sie verfügt darüber hinaus umfangreiche Funktionen zur Datenanalyse. Im weiteren Sinne wird ein Geoinformationssystem als ein System aus Software, Hardware (Computer, Scanner, Drucker), Daten und den Anwendungen verstanden, wobei letztere immer die Abbildung von Realität in einem Modell bedeuten. Danach besteht ein GIS in der praktischen Anwendung aus den Bestandteilen Dateneingabe, Datenverwaltung, Datenanalyse, Datenausgabe und Datenbestand.

GIS unterscheiden sich von anderen Zeichenprogrammen oder einfachen Download-Bildern dadurch, dass sie geographische Bezüge (Geometriedaten) der dazustellenden Objekte oder Erscheinungen (Sach- oder Attributdaten) verwenden. Jeder Eintrag bekommt bestimmte Koordinaten im 3D-Raum zugewiesen , die die genaue Lage auf der Erde beschreiben. Die GIS-Daten können sowohl einen Punkt, eine Linie, wie auch eine Fläche darstellen.

Die Daten sind in thematische Schichten unterteilt. Zum Beispiel, könnte eine Schicht names "Menge der produzierten Ernte" eine Schicht sein, in der Flächen (Polygone) als Felder definiert sind, denen jeweils ein bestimmter Wert zugeschrieben wird, der die Menge der produzierten Ernte der jeweiligen Felder in einem bestimmten Jahr wiedergibt.

EDV kann ortsgebundene Informationen nicht direkt in ihrem räumlichen Zusammenhang speichern, wie es z.B. eine konventionelle Karte erlaubt. Daher werden Konzepte (Modelle) zur Speicherung des Raumbezuges in ein GIS eingeführt. Die wichtigsten Formate sind die Vektorform und die Rasterdarstellung.

Vektordaten sind das am häufigsten verwendete Format von GIS-Daten. Wie bereits erwähnt, kann es sich bei den Darstellungen des Vektorsystems um Punkte, Linien oder Polygone handeln. Jede dieser Darstellungen kann mit einem oder mehreren Werten in den thematischen Schichten verknüpft werden. Vektordaten sind räumlich sehr genau. Rasterdaten hingegen können den Raum in einem Gitter erfassen. Jedes Quadrat wird wie ein Vektorpolygon behandelt und mit einem oder mehreren Werten verknüpft. Rasterdaten entstehen oft aus Fernerkundungsaufnahmen, da der Sensor die Daten in Form von Pixeln aufnimmt.

Wenn mehrere Schichten in einem GIS verknüpft werden, bekommt jeder einzelne Punkt im Raum viele Attribute und Charakteristiken zugeschrieben. Ein Theater, zum Beispiel, kann mit einem Punkt dargestellt werden, welcher ein bestimmtes Koordinatenpaar hat. Zusätzliche Informationen für diesen Punkt können der Name des Theaters, dessen Adresse, dessen Kapazität, und das Erbauungsjahr sein. Da alle Punkte in einem gemeinsamen Koordinatensystem verbunden sind, ist es möglich zahlreiche räumliche Operationen durchzuführen, die den Ort der Punkte mit dessen assoziierten Attributen verknüpfen.

Das Layer-Konzept von Geographischen Informationssystemen In der neben stehenden Abbildung besteht die Schicht "Kunden" aus Punkten, die Schicht "Straßen" aus Linien und die Schicht "Zellen" aus Polygonen. Bei diesen Dreien handelt es sich um Vektorschichten. Die Schichten "Höhe" und "Landnutzung" sind dagegen Rasterschichten, die durch die Verarbeitung von Fernerkundungsaufnahmen entstanden sind. Quellen: SEOS / NOAA

Ein GIS kann im Mindestfall als eine hoch entwickelte Karte dienen, die eine große Vielfalt an Informationen liefern kann. Die digitale Speicherung der Daten ermöglicht die Erstellung von Karten mit unterschiedlichen Themen, je nach Gebrauch. Viel wichtiger ist jedoch, dass die digitale Form der Daten eine schnelle Verarbeitung und das Ausführen zahlreicher Analysen erlaubt.

Mit einem GIS lassen sich übergreifende Fragestellungen (z.B. Naturschutz, Wasserwirtschaft, Altlastenkataster, Luftüberwachung) beantworten. So wird eine transparente Grundlage für Entscheidungen in Umwelt- und Planungsfragen geschaffen. Interdisziplinäre Aufgaben (z.B. eine Umweltverträglichkeitsprüfung) sind ohne den Einsatz eines modernen GIS nicht mehr vorstellbar.

GIS ist auch in einem engen Zusammenhang zu sehen mit den Methoden der Fernerkundung. FE mit ihren Luft- und Satellitenbildern ist eine unverzichtbare Informationslieferantin für viele GIS-Aufgabenstellungen. Fernerkundungsdaten werden oft als Hintergrund oder als Input für die Geoverarbeitungsfunktionen innerhalb der GIS-Software verwendet. FE ist mit GPS verbunden, da die Bilder als Hintergrund im GPS-Gerät verwendet werden können und einen visuellen Kontext liefern, wenn eine Person ein GPS-Gerät zur Datenerfassung oder Navigation verwendet. Die FE ist mit dem Internet-Mapping verbunden, denn auch hier können die Bilder als Hintergrund verwendet und als Web-Kartendienst bereitgestellt werden. Dies kann in Web-oder Mobilanwendungen genutzt werden und diesen Anwendungen einen visuellen Kontext verleihen, wenn sie für die Navigation, die Routenplanung oder die Anzeige anderer räumlicher Daten wie interessante Punkte, Verkehrsfluss, betroffene Gebiete usw. verwendet werden. Insofern ist die Fernerkundung ein integraler Bestandteil aller Aspekte von GIS und ortsbezogenen Informationen.

Weitere Informationen:

• National Map (USGS)
• The National Map - Startseite (USGS)
• Quantum GIS (quelloffenes GIS zum freien Download)
• Satellitendaten visualisieren und analysieren – Erste Schritte mit QGIS (SAPIENS, GFZ 2022)
• 1000 GIS Applications & Uses – How GIS Is Changing the World (GISGeography)
• Geographic Information Systems Data Pathfinder (NASA EarthData)
• GIS at NASA: Expanding the Understanding of Earth Science (NASA EarthData)
• Esri - Startseite

Geoid

Äquipotentialfläche des Schwerefeldes der Erde, welche den mittleren Meeresspiegel bestmöglich approximiert. Betrachtet man das Meerwasser als frei bewegliche Masse, welche nur der aus Gravitation und Zentrifugalkraft zusammengesetzten Schwerkraft unterworfen ist, so bildet sich die Oberfläche der Ozeane nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes als Niveaufläche des Schwerepotentials aus. Diesen idealisierten Meeresspiegel kann man sich (etwa durch ein System kommunizierender Röhren) unter den Kontinenten fortgesetzt denken, so daß eine geschlossene Fläche entsteht, die das Geoid veranschaulicht. Mit dem auf einen Raumpunkt mit dem Ortsvektor x bezogenen Schwerepotential W(x) lautet die Gleichung des Geoids: W(x)=W_o= const.

Form der Erde Geoid im Vergleich zu Kugel und Erdellipsoid Alle Punkte auf der Erde besitzen ein sog. Potential, das sich aus der Kombination von Gravitationskraft und Zentrifugalkraft der Erde ergibt. Diejenige 3D-Äquipotentialfläche, die der Oberfläche der "ruhenden" Weltmeere entspricht und sich unter den Kontinenten fortsetzt, wird als Geoid bezeichnet. Quelle: BMI

Das Geoid als eine teilweise im Innern der Erdmasse verlaufende Fläche ist stetig und stetig differenzierbar, besitzt jedoch Unstetigkeiten in der Flächenkrümmung an allen Unstetigkeitsstellen der Massendichte und ist somit keine analytische Fläche. Aufgrund der unregelmäßigen Verteilung der Massendichte im Erdkörper kann das Geoid nicht durch eine algebraische Flächengleichung beschrieben werden, sondern muß mit terrestrischen oder satellitengestützen Methoden der Geodäsie bestimmt werden. Das Geoid ist Bezugsfläche für die orthometrischen Höhen.

Ein auf der Datengrundlage der Satelliten LAGEOS, GRACE und GOCE und von Oberflächendaten, Fluggravimetrie und Satelliten-Altimetrie erstelltes Geoid-Modell erhielt den Beinamen "Potsdamer Schwerekartoffel".

Weitere Informationen:

• Das Potsdamer Geoid. Beitrag von Peter Schwintzer und Christoph Reigber, GFZ (Sterne und Weltraum 8/2002)
• Das Schwerefeld der Erde. Beitrag von Christoph Reigber und Peter Schwintzer, GFZ (Physik in unserer Zeit 5/2003)

Geoinformatik

Die Geoinformatik (engl. geoinformation science, geomatics, spatial informatics) befasst sich als interdisziplinäres Fachgebiet mit der Entwicklung und Anwendung informatischer Methoden zur Lösung fachspezifischer Probleme in den Geowissenschaften unter besonderer Berücksichtigung des räumlichen Bezuges der Daten. Zum Aufgabenfeld der Geoinformatik gehören die Erhebung oder Beschaffung von Geodaten, deren Aufbereitung und Modellierung und vor allem deren Analyse sowie ihre Präsentation und Verbreitung.

Geoinformatik ist insbesondere als Wissenschaft hinter den Technologien zu verstehen, der zu den geographischen Informationstechnologien die drei großen Gruppen Global Positioning System (GPS), Geoinformationssysteme (GIS) und Fernerkundung zählt. Kenntnisse der geometrisch-topologischen Modellierung von Geoobjekten, die Darstellungsmöglichkeiten von Geoobjekten in Koordinatensystemen und Kartennetzentwürfen sowie geodätische Grundlagen sind notwendige Voraussetzungen zum Einsatz der Technologien der Geoinformatik.

Geoinformationen

Geoinformationen beschreiben Objekte und Erscheinungsformen der realen Welt mit ihrem Raumbezug. Sie helfen dem Menschen, seine Umwelt, in der er lebt und arbeitet, zu organisieren, zu verwalten und zu erhalten. Für Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung stellen Geoinformationen über eine Vielzahl von Webdiensten und -portalen eine wesentlich Informationsquelle dar, um Planungen und Entscheidungen zu beschleunigen. So haben sie sich zu einer unverzichtbaren Grundlage der öffentlichen Daseinsvorsorge und bei der Bewältigung von Naturkatastrophen entwickelt.

Die öffentliche Verwaltung in Deutschland verfügt über einen großen Fundus an Geodaten (Geobasisdaten und Geofachdaten).

Das Bundesministerium des Innern hat seit 1998 den Vorsitz im Interministeriellen Ausschuss für Geoinformationswesen (IMAGI) und koordiniert damit das Geoinformationswesen auf Bundesebene in enger Zusammenarbeit mit den Ländern und Kommunen.

Als modernes Dienstleistungszentrum bietet das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) als nachgeordnete Behörde des BMI Geodaten, Karten, Luftbilder sowie vielfältige Informationen über die Geobasisdaten von Bund und Ländern online und als Webanwendung an. Das BKG hat auch die Aufgabe, die Bundesregierung fachlich zu beraten und die nationalen Fachinteressen auf internationaler Ebene zu vertreten.

Die Zusammenführung und Darstellung der vorhandenen Geodaten von Bund, Ländern und Kommunen wird u.a. durch den Ausbau der Geodateninfrastruktur Deutschland (GDI-DE) realisiert. Das zentrale Schaufenster ist das gemeinsame Geoportal Deutschland.

Diese Zusammenführung und Darstellung vorhandener Geoinformationen erfüllt auch die Vorgaben der INSPIRE-Richtlinie. Mit der INSPIRE-Richtlinie wurde eine Initiative der Europäischen Kommission ins Leben gerufen, die das Ziel hat, die erhobenen Geodaten und Geofachdaten einheitlich in ganz Europa online über das Internet bereitzustellen.

National wurden mit dem Bundesgeoreferenzdatengesetz (BGeoRG) für geohaltende Stellen des Bundes einheitliche qualitative und technische Standards formuliert.

Weitere Informationen:

• Deutscher Dachverband für Geoinformation - Startseite
• Geoportal.de (Bundesamt für Kartographie und Geodäsie)
• GDI-DE - Geodateninfrastruktur Deutschland (Bundesamt für Kartographie und Geodäsie)
• Interministerieller Ausschuss für Geoinformationswesen - IMAGI (BMI)
• Geoinformationen - Unverzichtbarer Rohstoff für die digitale Gesellschaft (BMVI)
• Geoinformationen einfach genutzt - 4. Geo-Fortschrittsbericht der Bundesregierung (BMI 2017)

GEOINT

Siehe Geospatial Intelligence (GEOINT)

Geokodierung

Engl. geocoding; die geometrische Rektifizierung (Verortung) eines digitalen Bildes in bezug auf ein projekt-spezifisch gewähltes geodätisches Bezugssystem, das meist dem Landeskoordinatensystem entspricht, bzw. in bezug auf eine vorgegebene Kartenprojektion. Geokodierung ist Bestandteil der Georeferenzierung. Die mittels Fernerkundungssensoren aufgenommenen Bildelemente von Rasterdaten müssen so umgeordnet werden, dass die Bildelemente der rektifizierten Bilder im Landeskoordinatensystem angeordnet sind (Resampling).

Die Geokodierung ist ein grundlegender Aufbereitungsschritt bei Satellitendaten zur Beseitigung von aufnahmebedingten Verzerrungen, die aus der Erdkrümmung, der Sensortechnik, der Aufzeichnungsplattform etc. herrühren. Das Material wird dabei in eine einheitliche Projektion transformiert, so dass es sich mosaikartig zu flächendeckenden Karten zusammensetzen lässt. Erst nach der Geokodierung können die Datensätze verschiedener Typen von Sensoren untereinander korreliert werden.

Die Methoden der geometrischen Rektifizierung hängen davon ab, ob photographische oder digitale Bilder, von Flugzeug- oder Satellitenplattformen aufgenommen, vorliegen und welche mathematischen Ansätze zur Anwendung kommen. Die Rektifizierung der durch Digitalisierung von Photographien gewonnenen digitalen Bilder erfolgt durch Definition einer Bildmatrix im Landeskoordinatensystem und durch Transformation der Mittelpunkte der Bildelemente im Landeskoordinatensystem in das Bildkoordinatensystem. Die Zuordnung von Grauwerten zu den i.d.R. zwischen den Bildelementmittelpunkten des digitalisierten Bildes liegenden transformierten Mittelpunkten erfolgt über Algorithmen nach dem "Prinizp der nächsten Nachbarschaft" (Nearest-Neighbour-Verfahren), durch bilineare Interpolation oder Interpolation höherer Ordnung. Die Methodenwahl der Rektifizierung von originären Scannerbildern hängt davon ab, ob die Datengewinnung vom Flugzeug oder vom Satelliten aus erfolgt.

Nach der Korrektur der Panoramaverzerrung und Elimination des Einflusses der Zeilenschiefe ist für jede Bildzeile des optomechanischen Scanners exakte Zentralprojektion hergestellt. Diese Bedingung ist bei zeilenweiser Datengewinnung mit optoelektronischen Scannern erfüllt. Die nichtparametrische Rektifizierung stellt die Beziehung zwischen dem Scannerbild und dem rektifizierten Bild im Landeskoordinatensystem durch einen zweidimensionalen Interpolationsansatz her, dessen Koeffizienten aus Passpunkten ermittelt werden. In einer ersten Stufe wird durch ebene Ähnlichkeitstransformation oder Affintransformation ein näherungsweiser Zusammenhang zwischen Bildkoordinaten und (zweidimensionalen) Landeskoordinaten hergestellt. In einer zweiten Stufe werden die an den Passpunkten auftretenden Residuen durch Polynominterpolation (Polynomentzerrung) für jede Koordinatenrichtung oder durch Interpolation nach kleinsten Quadraten weitgehend minimiert. Die nichtparametrische Rektifizierung wird v.a. für die Geocodierung von Scannerbildern, die von Satellitenplattformen aus aufgenommen werden, benutzt.

Die geometrische Rektifizierung von Radaraufnahmen wird im Falle geringer Höhenunterschiede nach Umwandlung von Schrägentfernungen in Grundrißentfernungen mittels nichtparametrischer Rektifizierung durchgeführt. Geringe Höhenunterschiede verursachen jedoch im Radarbild bereits große Bildversetzungen, so dass auch in diesem Fall die Nutzung eines digitalen Geländemodelles unerläßlich ist. Im allgemeinen erfolgt die Geocodierung von Radarbildern nach der Methode der parametrischen Rektifizierung, die in etwas abgewandelter Form dem Ansatz bei der geometrischen Rektifizierung von Scannerbildern entspricht.

Geomatik

Engl. geomatics, franz: géomatique; Kunstwort aus Geodäsie und Geoinformatik als Bezeichnung für eine junge Wissenschaft vom Erfassen (z.B. mittels Fernerkundung), Verwalten, Analysieren, Visualisieren und Präsentieren raumbezogener Daten und Prozesse z.B. in Geographischen Informationssystemen (GIS). Geomatik umfasst Technologien und Dienste rund um die Erfassung, Verwaltung, Analyse und Verbreitung von georeferenzierter Information. Dadurch bietet sie bessere Grundlagen für Entscheidungen. Insofern ist die Geomatik ist eine Querschnittsdisziplin, die einen weiten Bogen von Anwendungen in den Geo- über die Ingenieur- und Sozialwissenschaften bis hin zur Raumplanung, Landmanagement und Umweltwissenschaften spannt und sich dabei modernster Technologien bedient. Geomatiker setzen bei ihrer Arbeit eine Vielzahl von terrestrischen, flugzeug- und satellitengestützten Sensoren ein. Zu den Aufgabengebieten gehören 3D-Positionierung, Navigation, Geodynamik, Monitoring von Umwelt- und Industrieprozessen, 3D-Stadtmodelle, Analyse der Bodenqualität, Landnutzung und Landentwicklung, Kartographie, Mehrzweckkataster, Ressourcenerfassung und Überwachung regionaler und globaler Prozesse.

Geometriedaten

Daten über Lage und Form der in einem GIS abgebildeten Objekte, z.B. die Lage einer Siedlungsfläche oder der Verlauf einer Küstenlinie. Nahezu jedes Objekt auf der Erdoberfläche kann auf einfache geometrische Formen (Punkt, Linie, Fläche) reduziert werden. Das ist notwendig, um Informationen in gängigen Datenbanken speichern zu können. Jede dieser geometrischen Formen kann lokalisiert werden, d.h. mit den entsprechenden x/y-Koordinaten versehen werden.

• Beispiele für Punkte sind Bergspitzen, Quellen, Bohrungen, Hydranten, Vermessungspunkte, Kunden
• Beispiele für Linien sind Flüsse, Straßen, Höhenlinien, Grenzen
• Beispiele für Flächen sind Seen, Ackerparzellen, Gemeinden, Dächer.

Geometriedaten können als mathematische Vektoren oder als Rasterbilder dargestellt werden. In GIS werden häufig Vektorgrafiken verwendet, da diese dem natürlichen Erscheinungsbild z.B. eines Flusses entsprechen. Rasterbilder werden vor allem im Zusammenhang mit wissenschaftlichen Untersuchungen (Modellbildungen) und der Verwendung von Satellitenbildern genutzt.

Grundlage für die Interpretation geographischer Objekte ist die mathematische Topologie. Diese beschreibt die räumlichen Beziehungen zwischen geometrischen Objekten mit Begriffen wie "innerhalb", "außerhalb", "Kante von-bis", "kreuzend/nicht kreuzend" usw. Die Festlegung, ob die Straße eine Linie oder Fläche ist, obliegt zuallererst dem Benutzer bzw. ist beim Kauf der Daten vorgegeben. Alle weiteren Eigenschaften dieser Objekte werden über Attribut- oder Sachdaten vergeben, also jene Daten, mit denen die gespeicherten geometrischen Daten beschrieben werden, z.B. die Höhe der Bergspitze, der Verschmutzungsgrad eines Flusses, das Alter eines Kunden, die Fläche eines Bundeslandes die Tiefe des Sees usw. Sie machen aus neutralen geometrischen Formen ein Sinn-volles geographisches Objekt.

geometrische Auflösung

Syn. räumliche Auflösung; engl. spatial resolution, franz. résolution géométrique; die geometrische Auflösung kennzeichnet allgemein die Fähigkeit eines Sensorsystems, Signale von benachbarten Objektstrukturen getrennt zu erfassen. Es werden verschiedene Maße für die Auflösung benutzt, insbesondere die in der Optik und Photographie gebräuchlichen Linien je Millimeter (L/mm). Bei photographischen Aufnahmesystemen wird die geometrische Auflösung durch die Körnung des Films, die Brennweite und die Flughöhe beim Bildflug bestimmt.

Die Ergebnisse der Aufnahme mit Scannersystemen oder Radar-Systemen liegen in der Regel in Form digitaler Bilddaten vor. Dasselbe gilt entsprechend für digitalisierte photographische Bilder. Digitale (bzw. digitalisierte Bilder) liegen in Rasterformat vor. Dieses Raster besteht aus quadratischen Bildelementen (picture elements = Pixel). Die geometrische Auflösung gibt hier die Größe (Kantenlänge) eines einzelnen Bildelements (Pixels) an. Dabei kann entweder auf die Bildgröße oder auf die Objektgröße Bezug genommen werden (sofern auf Objektgrößen Bezug genommen wird, werden die Angaben in m auch als Bodenauflösung bezeichnet). Diese Maßgabe hat den Vorteil, dass sie eindeutig ist und leicht vergleichbar erscheint. Tatsächlich wird die Erkennbarkeit topographischer Details mit der Verkleinerung der Bildelemente drastisch verbessert.

Bei digitalen Scannerdaten ergibt sich die geometrische Auflösung aus der Abtastoptik des Sensors, der Brennweite und der Flughöhe.

Geometrische Auflösung bei digitalen Rasterdaten Quelle: http://www.uni-graz.at/geowww/geo/ (R.o.)

Die Erkennbarkeit topographischer Details wird mit der Verkleinerung der Bildelemente und somit auch die geometrische Auflösung drastisch verbessert. Jene Bildteile, die mit einer Belichtung im Idealbelichtungsbereich entstehen, haben die beste geometrische Auflösung.
Die erreichten Bodenauflösungen liegen bei flugzeuggetragenen Systemen zwischen 10 und 20 cm (Luftbilder und Flugzeugscanner) und mehreren Metern (abbildende Spektrometer). Hochauflösende kommerzielle Erdbeobachtungssatelliten erreichen heute geometrische Auflösungen im Submeterbereich, während Systeme für andere Anwendungen (z.B. Wettersatelliten) im Kilometerbereich liegen.

geometrische Korrektur

Anpassung der Geometrie von Fernerkundungsmessungen an die Geometrie der Erdoberfläche.

Bei unkorrigierten Luft- und Satellitenbildern variiert der Maßstab aufgrund der Reliefverschiebung, die durch Höhenunterschiede im Gelände verursacht wird. Die Reliefverschiebung ist eine Quelle geometrischer Verzerrungen in digitalen Bilddaten, obwohl sie bei der Satellitenfernerkundung weniger ins Gewicht fällt als bei Luftaufnahmen, da Satelliten in viel größeren Höhen fliegen als Flugzeuge. Eine weitere Quelle für geometrische Verzerrungen ist die Erde selbst, deren Krümmung und ostwärts gerichtete Drehbewegung aus dem Weltraum deutlicher zu erkennen sind als in niedrigeren Höhen.

Die Erde dreht sich um ihre Achse von West nach Ost. Zugleich umkreisen Fernerkundungssatelliten die Erde von Pol zu Pol. Würde man auf einer zylindrischen Projektion die Flugbahn aufzeichnen, die ein polumlaufender Satellit in einem Zeitraum von 24 Stunden zurücklegt, würde man eine Reihe von S-förmigen Wellen sehen. Da ein Fernerkundungssatellit seiner Umlaufbahn über der sich drehenden Erdkugel folgt, beginnt jede Abtastreihe an einer Position, die etwas westlich der vorhergehenden Reihe liegt. In den gescannten Rohdaten scheint jedoch das erste Pixel in jeder Reihe mit den anderen Anfangspixeln ausgerichtet zu sein. Um die Pixel in einem Fernerkundungsbild richtig zuzuordnen, müssen die Pixel in jeder aufeinanderfolgenden Reihe leicht nach Westen verschoben werden. Aus diesem Grund haben verarbeitete Szenen die Form eines schiefen Parallelogramms, wenn sie in geographischen oder ebenen Projektionen dargestellt werden.

Zusätzlich zu den systematischen Fehlern, die durch die Erdrotation verursacht werden, entstehen zufällige geometrische Verzerrungen durch Reliefverschiebungen, Höhen- und Lageabweichungen des Satelliten, Fehlverhalten der Instrumente und andere Anomalien. Zufällige geometrische Fehler können durch einen Prozess korrigiert werden, der als Rubber Sheeting bekannt ist. Wie der Name schon sagt, wird beim Rubber Sheeting ein Bild gestreckt und verzerrt, um die im Bild angezeigten Kontrollpunkte mit bekannten Kontrollpunktpositionen am Boden zu verknüpfen. Zunächst wird ein Paar von Gleichungen zur Transformation von Ebenenkoordinaten abgeleitet, indem die Unterschiede zwischen den Passpunktpositionen im Bild und auf dem Boden analysiert werden. Mit Hilfe dieser Gleichungen können Bildanalytiker ein rektifiziertes Rastergitter erstellen. Anschließend werden die Reflexionswerte des ursprünglich gescannten Rasters den Zellen des rektifizierten Rasters zugeordnet. Da die Zellen des rektifizierten Rasters nicht perfekt mit den Zellen des Originalrasters übereinstimmen, müssen die Reflexionswerte in den Zellen des rektifizierten Rasters aus den Werten des Originalrasters interpoliert werden. Dieser Vorgang wird als Resampling bezeichnet. Resampling wird auch verwendet, um die räumliche Auflösung eines Bildes zu erhöhen oder zu verringern, damit seine Pixel mit denen eines anderen Bildes georegistriert werden können.

Zusammengefasst ist es das Ziel der geometrischen Korrektur, die Bilddaten so zu korrigieren, dass

• die abgebildeten Objekte an sich und in ihrer gegenseitigen Lage geometrisch richtig dargestellt werden (Systemkorrektur)
• die Bildkoordinaten verschiedener Aufnahmen einander entsprechen (Bild-zu-Bild-Registrierung)
• die Bildkoordinaten der entsprechenden Landestopographie (Bild-zu-Kartennetz) entsprechen.

geometrische Rektifizierung

Beseitigung von Verzerrungen, die auf Grund von Geländehöhenunterschieden und Bildneigungen auf zentralperspektivisch aufgenommenen Luftbildern auftreten. Dies erfolgt durch Bestimmung der Elemente der äußeren Orientierung durch räumlichen Rückwärtsschnitt aus Passpunkten oder durch Bildtriangulation und anschließender Transformation der Rastereckpunkte eines digitalen eländemodelles im Landeskoordinatensystem in das Messbild mittels der Kollinearitätsbeziehungen. Das deformierte Raster im Bild kann nun durch digital gesteuerte Differentialumbildung in ein quadratisches Raster und damit in ein Orthophoto umgewandelt werden.

Die Rektifizierung von Satellitenbildern bedarf eines etwas komplexeren Prozesses der Umwandlung von Landeskoordinaten, die in großräumigen Gebieten komplizierte mathematische Eigenschaften aufweisen, in ein für die Orthophotoherstellung taugliches Referenzsystem. Nach Transformation der Landeskoordinaten (Gauß-Krüger-Koordinaten) eines Quadratrasters in geographische Koordinaten auf Basis des jeweils genutzten Ellipsoids und unter Integration der entsprechenden Ellipsoidhöhen in ein dreidimensionales geozentrisches Koordinatensystem erfolgt schlußendlich die Umwandlung in ein dreidimensionales System kartesischer Koordinaten, dessen x,y-Ebene das Ellipsoid im Mittelpunkt des überdeckten Gebietes berührt. Die folgenden Schritte entsprechen dem Vorgehen im Falle der Rektifizierung von Luftbildern. Das Satelliten-Orthophoto wird durch Umbildung des verzerrten Rasters in dem photographischen Satellitenbild in ein im Landeskoordinatensystem referenziertes quadratisches Raster entstehen.

geometrische Transformation

Siehe Entzerrung, geometrische Rektifizierung

Geomonitoring

Allgemein die kontinuierlich andauernde oder zeitweise Untersuchung und Überwachung der Veränderungen des Geosystems bzw. eines seiner Komponenten oder eines spezifischen Prozesses. Damit befasst sich Geomonitoring mit der Struktur, dem Verhalten, den Interaktionen und Veränderungen von Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre, Biosphäre, Lithosphäre, Pedosphäre, Anthroposphäre.

Im engeren Sinne ist Geomonitoring die Beobachtung und Kontrolle von qualitativen und quantitativen Veränderungen von Geodaten mittels Zeitreihenuntersuchungen. Geomonitoring umfasst ein breites, geowissenschaftliches Forschungsfeld, bei dem Aktualität, Genauigkeit, Kontinuität, Interpretation und Nutzung der Ergebnisse im Vordergrund stehen. Dazu werden Methoden aus Geodäsie, Geophysik, Fernerkundung, Photogrammetrie und Geoinformation eingesetzt – einzeln und insbesondere in geeigneter Kombination. (TU Freiberg)

Geoobjekt

Ein Geoobjekt (feature) ist das abstrakte Modell eines realen räumlichen Objektes, das zusätzlich zu Sachinformationen geometrische und topologische Eigenschaften besitzt und zeitlichen Veränderungen unterliegen kann. Kennzeichnend für Geoobjekte sind somit Geometrie, Topologie, Thematik und Dynamik.

Gegenüber anderen Geoobjekten kann es unterschieden werden hinsichtlich seiner

• räumlichen Lage und Form oder Ausdehnung (Geometrie),
• seiner Lagebeziehungen zu anderen Geoobjekten (Topologie),
• seiner fachlich relevanten Eigenschaften (Thematik) und
• seiner zeitlichen Veränderungen (Dynamik).

Der räumliche Bezug von Informationen ist kennzeichnend für die Geowissenschaften und auch für die Belange der Geoinformatik. Die Kopplung von Informationen an räumliche Bezugseinheiten, an Raumelemente oder Objekte mit einem Raumbezug ist für geowissenschaftliche Fragestellungen typisch. Als räumliche Bezugseinheiten, als räumliche Objekte oder (einfacher) als Geoobjekte treten auf:

• Punkte - z.B. Grenzstein, Zähl- oder Messstelle, Quellort eines Emittenten
• Linien - z.B. Profillinie, Grenzlinie, Baumreihe, Wasserleitung, Verbindungslinie
• Flächen - z.B. Flurstück, Biotop, Gemeindegebiet, Einzugsgebiet
• Körper - z.B. Schadstoffwolke, Grundwasserkörper, Lagerstätte, Gebäude

Zur Geometrie eines Objektes gehören sämtliche Informationen zur absoluten Lage und zur Form oder Ausdehnung des betreffenden Geoobjekts (z.B. Lage, Größe, Umfang). Die Geometriedaten werden durch Informationen über die relative Lage und Nachbarschaftsbeziehungen ergänzt (topologische Informationen, Topologie). Topologische Eigenschaften bzw. Konzepte sind Umgebungen (bzw. Umgebungsbeziehungen), Nachbarschaften (bzw. Nachbarschaftsbeziehungen), Teilmengen (bzw. Teilmengen- oder Enthaltenseinbeziehungen) oder Überlagerungen (bzw. Überdeckungs- oder Überschneidungsbeziehungen). Die Geoobjekte können sehr verschiedene Sachthemen aufweisen (Sachinformationen oder thematische Informationen, Thematik) und zudem eine zeitliche Variabilität (zeitliche Veränderungen, Dynamik) besitzen, die häufig neben geometrischer, topologischer und thematischer Information als weiteres Unterscheidungsmerkmal herangezogen wird. Generell gilt dabei, dass Geoobjekte eine räumliche und zeitliche Variabilität aufweisen können, der sowohl die Thematik als auch die Geometrie und Topologie unterliegen können.

Geophysica

Einsitziges Höhenforschungsflugzeug M-55 "Geophysica" des Myasishev Design Bureau, ursprünglich als militärischer Höhenaufklärer konzipiert. Das mittlerweile ausschließlich zivil genutzte zweistrahlige Flugzeug (Länge 22,86 m / Spannweite 37,46 m, Doppelleitwerk) kann eine Instrumentenlast von rund einer Tonne transportieren und operiert dank seiner überdimensionierten Tragflügel mit großer Streckung in einer Höhe von bis zu 21 Kilometer, mithin doppelt so hoch wie kommerzielle Linienflugzeuge. Die "Geophysica" besitzt somit die Fähigkeit, in die Ozonschicht hineinzufliegen und dort direkt die Zusammensetzung der Atmosphäre zu messen.

Mit Hilfe der neuen Interessengemeinschaft "Geophysica EEIG" haben europäische Forschungseinrichtungen die Möglichkeit, das Flugzeug für eine ganze Serie von Forschungsprojekten zu nutzen. So werden die Einflüsse von Klimaänderungen und Verschmutzungen auf die Ozonschicht untersucht. Die Messkampagnen werden mit Hilfe von Forschungsprojekten der Europäischen Union, der Europäischen Weltraumbehörde ESA sowie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert.

In den Jahren 2002-05 beispielsweise wurde die "Geophysica" für folgende Projekte eingesetzt:

• Validierung und Ergänzung von Messdaten des europäischen Umweltsatelliten ENVISAT,
• Erforschung der Entstehung großer Eispartikel in der Stratosphäre und ihrer Wirkungen auf die Aktivierung von Chlor- und Bromverbindungen und damit auf den Ozonabbau,
• Messungen in den Tropen zur Entstehung von Stickoxiden aus Gewitter-Blitzen, zur Bildung dünner Zirrus-Wolken sowie zum Eintrag von Spurenstoffen über die tropische Tropopause (die Obergrenze der Troposphäre) in die Stratosphäre.

Die deutschen Institute haben für diese Messkampagnen spezielle Messinstrumente entwickelt, mit denen Stickoxide, Wasserdampf, Ozon, Chlor und Bromgas sowie eine Vielzahl von Treibhausgasen und Partikeln gemessen werden können. Ein Teil dieser Instrumente, beispielsweise das Experiment MIPAS (Michelson Interferometer für passive atmosphärische Sondierung) des Forschungszentrums Karlsruhe, war bereits bei früheren Kampagnen (in den Tropen und in der Antarktis) auf der "Geophysica" im Einsatz. Für die bevorstehenden Messprogramme wurden im Rahmen eines HGF-Vernetzungsfonds-Projektes zwei neue Instrumente erst kürzlich neu integriert. Der künftige deutsche Anteil an der internationalen Nutzlast der "Geophysica" beläuft sich damit auf insgesamt sechs Messsysteme.

Das russische Höhenforschungsflugzeug Geophysica Unter dem "Buckel" ist das Messinstrument MIPAS zur Messung von Spurengasen eingebaut.Quelle: Wikimedia

Weitere Informationen:

• MIPAS-STR: ein Fernerkundungsinstrument für Stratosphärenflugzeuge
• Rapider Ozonabbau - Höhenforschungsflugzeug "Geophysica" misst in Polarwirbel
• StratoClim (DLR)

georäumliche Informationen

Syn. Geoinformationen; Informationen, die die Zustände und Relationen des Georaumes betreffen. Als Georaum ist hier der die gesamte Erde umhüllende, die Erdoberfläche und die oberflächennahen Bereiche einschließende Raum zu verstehen.

Georeferenzierung

Engl. georeferencing, franz. géocodage; das Einordnen von Karteninhalten in ein georäumliches Koordinatensystem durch Zuordnung von Koordinatenwerten, d.h. es wird ein Raumbezug oder Geobezug hergestellt. Speziell wird dies erforderlich, wenn digitalen Karten ein Bezug zu einem georäumlichen Koordinatensystem fehlt (z.B. geographisches Koordinaten-System, UTM-System). Technisch werden bestimmten Bildpunkten in Karten im Rasterformat Koordinatenwerten zugeordnet. Bei Karten im Vektorformat, die z. B. in sog. Tischkoordinaten digitalisiert wurden, werden dem Nullpunkt des zugrunde liegenden Systems georäumliche Koordinatenwerte zugeordnet.

Aus anderem Blickwinkel sieht man die Georeferenzierung als einen Vorgang, bei dem ein Objekt der Erdoberfläche, z.B. eine Adresse, ein Gebäude, eine Straße oder auch ein Baum mithilfe von Koordinaten aus einem ausgewählten Koordinatensystem und den dazugehörigen Objekteigenschaften, wie beispielsweise dessen Objektart (Nadel- oder Laubbaum), Objekthöhe etc., als Datensatz beschrieben und in einer Karte oder Liste registriert wird. Durch diese Zuweisung raumbezogener Informationen zu einem Objekt erhält man sogenannte Geoinformationen.

Die Zuordnung von Koordinaten geodätischer Koordinatensysteme zu Luftbildern oder Satellitenbildern wird häufiger als Geokodierung bezeichnet. Allgemein ist jede Einbindung von in Karten abgebildeten Punkten und Relationen in ein georäumliches Koordinatensystem ein Vorgang der Georeferenzierung.

Weitere Informationen:

• Georeferenzierung von Daten (BBSR)

Georg

Georg, Akronym für Geheimes Elektro-Optisches Reconnaissance System Germany, ist ein in der Entwicklung befindliches Satellitensystem zur weltweiten elektro-optischen Aufklärung und Fernerkundung für den deutschen Bundesnachrichtendienst (BND). Das Projekt besteht aus zwei Satelliten und wird von dem Bremer Unternehmen OHB gebaut. Ein dritter Satellit soll die ersten beiden ergänzen. Eine Nachfolgegeneration ist bereits in Planung.

Am 8. November 2017 erhielt die OHB System AG den Zuschlag für Georg. Für die ersten beiden Satelliten beträgt das Finanzvolumen bis zu 400 Millionen Euro, die vom Vertrauensgremium des Deutschen Bundestages bewilligt wurden. Der dritte Satellit soll mehr als 150 Millionen Euro kosten. Mit Stand Mitte 2023 sollen die Satelliten im Jahr 2025 mit Raketen des Unternehmens SpaceX ins All verbracht werden. Sie sollen von einer Bodenstation der Bundeswehr gesteuert und vom BND aus Berlin geführt werden.

Bislang stehen der Bundesregierung mittels der Bundeswehr mit dem System SAR-Lupe und dessen Nachfolger SARah nur eigene Aufklärungssatelliten mit Radar zur Verfügung. Für optische Satellitenaufnahmen beteiligte sich die Bundesregierung mit 210 Millionen Euro an dem französischen System Composante Spatiale Optique (CSO) aus dem Programm MUSIS (Multinational Space-based Imaging System) und erhielt dafür Zugriff auf 20 Prozent der Kapazitäten. Auch am Vorgänger Helios hatte sich Deutschland beteiligt.

Mit Georg verfolgt das Bundeskanzleramt das Ziel, den BND unabhängiger von der Bundeswehr und von der Bereitstellung von Satellitendaten durch andere Staaten zu machen. Der deutschen Bundesregierung können so „unbeeinflusste Informationen“ bereitgestellt werden. Die Entscheidung zur Beschaffung des Systems stünde auch in Zusammenhang mit einer veränderten Sicherheitslage rund um Europa, der gestiegenen Bedrohung durch den internationalen Terrorismus sowie dem Wunsch der Bundesregierung, unabhängiger von den Vereinigten Staaten zu werden.

Georg ist das erste Satellitensystem des BND. Die Namensgebung des Projekts ist eine Anspielung auf den Schutzpatron des BND, den Heiligen Georg.

GEOS-3

Engl. Akronym für Geodynamics Experimental Ocean Satellite; von 1975-1978 operierender geophysikalischer Forschungssatellit der NASA mit dem ersten Instrument (13.9 GHz Radaraltimeter), das brauchbare Messungen der Höhe des Meeresspiegels und ihrer zeitabhängigen Variabilität lieferte.

Geosat

Geodätischer Satellit der US Navy zur Messung der Höhe des Meerespiegels mit einer Genauigkeit von unter 5 cm. Die zivile Nutzung von Geosat mit seinem Radaraltimeter dauerte von November 1986 bis Januar 1990.

Die Nachfolgemission Geosat Follow-On (GFO) war nach zweijähriger Kalibrierungsphase von 2000 bis 2008 im Einsatz. Die von GFO gewonnenen Messdaten wurden zusammen mit Daten von TOPEX/Poseidon und dessen Nachfolger Jason-1 und den europäischen Missionen ERS-2 und ENVISAT kombiniert und ausgewertet. Eine zunächst vorgesehene weitere Folgemission (Geosat Follow-On-2) wurde abgesagt.

GEOSAT-1/2

Aktuelle Bezeichnungen für die vormals spanischen Erdbeobachtungssatelliten DEIMOS-1 und DEIMOS-2 die ursprünglich von Deimos Imaging (Tochter der kanadischen UrtheCast Corp.) betrieben wurden. Seit 2021 besitzt und betreibt die Firma GEOSAT - Global Earth Observation Satellites mit Hauptsitz in Portugal und Niederlassungen in Portugal und Spanien, die Satelliten inkl. des Vertriebs der Bilddaten.

Die Missionen arbeiten zusammen, um eine vollständige globale Abdeckung und hochfrequente Wiederholungen zu ermöglichen, so dass schnelle Umweltveränderungen überall auf der Erde beobachtet werden können.

GEOSAT-1 verfügt über eine Multispektralkamera, die in den Spektren Grün, Rot und Nahinfrarot arbeitet, eine Auflösung von 22 Metern und eine Schwadbreite von 650 Kilometern, die es ermöglicht, große Bereiche der Erdoberfläche sehr häufig zu erfassen.

GEOSAT-2 - der bis zu 150.000 km² pro Tag abdecken kann, mit einer durchschnittlichen Wiederholungszeit von zwei Tagen weltweit - ergänzt diese Daten durch ein hochauflösendes Advanced Imaging System (HiRAIS), das Bilder mit einer Auflösung von 75 cm pro Pixel und einer Schwadbreite von 12 km liefert. HiRAIS ist ein optisches Multispektralinstrument mit einer hochauflösenden Kamera, die fünf Spektralkanäle - einen panchromatischen und vier multispektrale - aufnimmt.

GEOSAT-2 bietet außerdem ein auf künstlicher Intelligenz basierendes Super Resolution-Produkt mit einer Auflösung von bis zu 40 cm. Die angewandten Techniken erhöhen die Bildauflösung und die Detailgenauigkeit ohne Qualitätsverlust. Die künstliche Intelligenz füllt und glättet Unregelmäßigkeiten viel besser als jede andere Art der Neuabtastung, wodurch sich die Zahl der aus den erzeugten Bildern abgeleiteten Anwendungen erhöht.

Weitere Informationen:

• How GEOSAT helps to unlock the potential of Earth observation data (ESA 2022)
• GEOSAT-1 and 2 ESA archive (ESA)

Geospatial Intelligence (GEOINT)

Dt. etwa raumbezogene Aufklärung; Bezeichnung für eine spezielle und komplexe Form der Auswertung von Luftbildern und Satellitenbildern in Verbindung zu anderen, räumlich bezogenen Daten und Informationen, sowie Zeitinformationen.

Ähnlich wie Photos auf einem Smartphone lassen sich auch viele andere Daten georeferenzieren, das heißt einem geographischen Ort zuordnen. Satellitenbilder, nachrichtendienstliche Erkenntnisse und offen zugängliche Informationen können so auf eine völlig neue Weise verknüpft werden. Damit lassen sich zum Beispiel Migrationsbewegungen in Bezug zu klimatischen Veränderungen setzen. (BND)

Weitere Informationen:

• What is GEOINT? (SatCen)

Geospatial Technologies (GST)

Der Begriff 'Geospatial Technologies' (GST), deutsch etwa Erdräumliche Technologien umfasst hard- und softwarebezogene geographische Technologien wie geographische Informationssysteme (GIS), Fernerkundung (div. Plattformen, Sensoren, Bodenstationen, Anwendungen zur Gewinnung und Verarbeitung diesbezüglicher Daten), Satellitennavigationssysteme (u.a. GPS, Galileo), Kartographie, digitale Globen und weitere. GST werden als Schnittstellen von Technologie, Forschung, Lehre und Anwendung gesehen.

In Kombination ermöglichen sie es Wissenschaftlern und Nicht-Wissenschaftlern, räumliche Informationen zu erforschen, zu analysieren zu visualisieren und zu modellieren, die aus verschiedenen Quellen und Anwendungen stammen, die die physikalischen, geologischen und sozialen Wissenschaften umfassen.

GST in der geographischen Bildung

Die Einführung von georäumlichen Technologien verändert den Geographieunterricht sehr schnell. Google Earth, Webatlanten und viele ortsbezogene Dienste sind über das Internet verfügbar und bieten die Möglichkeit, fast jeden Ort der Welt jederzeit und überall zu studieren. Dies eröffnet dem Geographieunterricht eine großartige Perspektive, wie man sie bisher nicht kannte. Dennoch ist auch in der Geographie das Leben nicht nur ein Zuckerschlecken. Die Einführung von Geotechnologien ist nicht immer einfach, da technische Probleme und sich schnell verändernde Geräte, mangelnde Erfahrung im Unterricht mit Geotechnologien und eine riesige Menge an Informationen die Lernenden daran hindern können, den Wald vor lauter Bäumen zu sehen. Die Vorteile des Einsatzes von Geodaten im Geographieunterricht überwiegen jedoch bei weitem die Probleme, wenn es um geographisches Denken geht.

GEOSS

Siehe Global Earth Observation System of Systems

geostationär (GEO)

Engl. geostationary (earth orbit, GEO); Eigenschaft einer Umlaufbahn, bei der ein Satellit immer dieselbe Position in Bezug zur sich drehenden Erde behält, und von der aus stets das gleiche Gebiet der Erdoberfläche zu sehen ist. Diese Bahn wird auch Clarke-Orbit genannt. Die Richtung des Umlaufkurses und die Dauer einer Erdumrundung sind mit der Richtung der Erddrehung und ihrer Dauer identisch. Die Physik lässt dies mit geringem energetischem Aufwand nur am Äquator zu, wo Zentrifugalkraft (abhängig von der Drehgeschwindigkeit) und Erdanziehungskraft (abhängig vom Gewicht) im Gleichgewicht stehen. Die Bahnebene liegt dabei in der Äquatorialebene (Äquatorialbahn, Inklination 0°). Die Bahn ist sehr stabil bei einem sehr langsamen Absinken der Umlaufbahn, weshalb Satelliten dort fast unbegrenzt bleiben können. Allerdings kostet es Energie, um die Bahnneigung bei null zu halten. Sehr genau arbeitende Antriebssysteme begrenzen das unvermeidliche Abdriften auf maximal ±1 Grad in Länge und Breite. Das entspricht einem Quadrat von ca. 150 km x 150 km.

Ein Satellit auf einer geostationären Umlaufbahn legt dort eine Kreisbahn in einer Höhe von 35.786 Kilometern mit einer Geschwindigkeit von 3,075 km/sec zurück. Die Winkelgeschwindigkeit des Satellitenumlaufs ist mit derjenigen der Erdrotation synchron, daher gilt die geostationäre Umlaufbahn als Variante der erdsynchronen (geosynchronen) Bahn.

Geostationäre Umlaufbahn (Animation) Quelle: NASA

Ein Umlauf dauert 24 Stunden, also genau die Zeit, die die Erde für eine Umdrehung benötigt. Von der Erde aus gesehen scheint der Satellit stillzustehen (stationär), obwohl er sich in Richtung der Erdrotation bewegt. Nur auf diese Weise ist eine kontinuierliche Beobachtung derselben Gebiete (ca. 1/3 der Erdoberfläche) und ein ununterbrochener Kontakt mit den Bodenstationen möglich. Drei Satelliten, gleichmäßig auf äquatorialen Positionen verteilt, stellen die gewünschte permanente Beobachtungskonstellation für mehr als 90 % der Erdoberfläche sicher. Nicht erfasst werden können jedoch wegen zu starker Verzerrung die Bereiche der Pole.

Bilder von der gleichen Bodenfläche können so in kurzen Zeitintervallen aufgenommen werden, was sinnvoll für die Wetterbeobachtung ist. Durch ihre kontinuierliche Beobachtungsmöglichkeit und ihren festen Bezug zur Erdoberfläche können auch dynamische Prozesse der Atmosphäre, z. B. Wolkenformationen, Starkwindereignisse wie Wirbelstürme sowie Massenbewegungen, z.B. von Wüstensand, sehr gut erfasst und beobachtet werden.

Satellitenantennen in Bodenstationen, die auf einen Satelliten auf dieser Umlaufbahn gerichtet sind, brauchen daher diesem Satelliten nicht zu folgen und können starr montiert werden (Kostenersparnis). Mit drei Satelliten auf einer GEO ist daher eine Versorgung nahezu der gesamten Erdoberfläche möglich. Eine Ausnahme bilden die Pole, da zur Funkversorgung eine Elevation von ca. 10 Grad notwendig ist.

Nachteilig ist der große Abstand zur Erdoberfläche, der die technisch machbare Raumauflösung erheblich einschränkt, und es sind relativ lange Sensor-Integrationszeiten nötig.

Die geostationäre Umlaufbahn ist die am häufigsten genutzte einzelne Umlaufbahn für Erdsatelliten. Da Plätze in dieser Höhe begehrt sind, werden die Positionen der Satelliten durch die internationale Organisationen wie der ITU zusammen mit nationalen Organisationen verwaltet. Eine Position wird durch eine Angabe in Grad definiert. Dabei gilt, dass die gesamte Bahn einen Umfang von 360 Grad hat. Durch die wachsende Zahl von Satelliten zusammen mit verbesserter Technik ist es notwendig und möglich geworden, den von einem Satelliten benötigten Platz auf der GEO immer weiter zu verringern. Für moderne Satelliten werden nur noch 2 Grad benötigt. Die Inklination liegt (weil Kreisbahn) bei 0 Grad. Für die mobile Kommunikation mit Handys ist diese Bahn ungeeignet, da sie zu hoch ist und die Sendeleistung der Handys nicht ausreicht, um die Distanz zu überbrücken. Ferner sorgt die lange Signallaufzeit (250 ms für eine Strecke) für eine niedrige Dienstqualität.

Zwei unterschiedliche Orbit-Typen Etwa maßstabsgerechte Zeichnung der Erde-Satellitengeometrie für Satelliten auf geostationärem und auf Low Earth Orbit (LEO). Quelle: UCAR (Davis Johnson)

Alternativen zu GEOs sind MEOs oder LEOs. Zu den Vorteilen der GEO gehört die einfache Konfiguration, da mit nur wenigen Satelliten fast die gesamte Erde erreicht werden kann. Das technische System des Netzes dahinter (Bodensegment) kann, falls es für Satellitenmobilfunk genutzt werden soll, ebenfalls einfach ausfallen, da es wegen der sehr großen Footprints nur sehr selten zu Übergängen von Nutzern zwischen ihnen kommt (Handover). Die Positionierung von Kommunikationssatelliten auf einer GEO erfolgt häufig über eine andere Umlaufbahn um die Erde.

In Ergänzung zu ihren polumlaufenden Varianten befinden sich insbesondere  Wettersatelliten auf geostationären Orbits. Gleichmäßig und in ausreichender Zahl um die Erde verteilt liefern sie einen globalen Überblick. Beispiele dafür sind GOES, METEOSAT, GMS. Auch die meisten kommerziellen Telekommunikationssatelliten nutzen GEOs. Ebenso ist dieser Orbittyp für strategische Frühwarnsatelliten gut geeignet. Aktuell umkreisen über 400 Satelliten die Erde auf der GEO.

Erderkundungssatelliten, die einen Großteil der Erdoberfläche abdecken sollen, müssen nicht-geostationäre Orbits benutzen.

Weitere Informationen:

• Theory for GOES Orbit (Lyndon State College)
• Current Geostationary Satellite Images (NOAA)
• Theory for GOES orbit
• Liste aktiver geostationärer Satelliten (Wikipedia)

Geostationäre Transferbahn (GTO)

Eine geostationäre Transferbahn (auch Geotransferorbit; Abk. GTO von engl. Geostationary Transfer Orbit) ist eine Erdumlaufbahn, auf der Satelliten von Trägerraketen ausgesetzt werden, um danach endgültig auf einer geostationären Umlaufbahn (GEO) positioniert zu werden. Dem dazu erforderlichen Bahnmanöver geht eine genaue Bahnbestimmung voraus.

Der GTO hat die Form einer langgestreckten Ellipse; einer ihrer Brennpunkte ist der Erdmittelpunkt. Der am weitesten von der Erde entfernte Punkt – das Apogäum – liegt meist in der Nähe des geostationären Orbits in 35.786 km Höhe über dem Äquator. Die Bahngeschwindigkeit dort ist aber noch zu gering für die gewünschte Kreisbahn und die Bahnneigung (Inklination) meist zu groß.

Normalerweise setzt eine Rakete den Satelliten am (oder in der Nähe des) erdnächsten Punkts (dem Perigäum) der Ellipsenbahn aus. Die Umlaufzeit auf einem typischen GTO (250 × 36.000 km) beträgt ca. 10,5 Stunden, so dass die Höhe der geostationären Umlaufbahn erstmals nach mehr als 5 Stunden passiert wird.

Einige Trägerraketen fliegen zuerst eine niedrige Parkbahn an und starten von dort meist einen Hohmann-Transfer, dessen elliptischer Teil die geostationäre Transferbahn ist. Einige Trägerraketen, wie die Ariane, bringen die Satelliten jedoch direkt auf die geostationäre Transferbahn, wozu von einem äquatornahen Standort aus, wie Kourou, ebenfalls ein Delta v von knapp 9,8 km/s nötig ist. Einige Trägerraketen, die auf einem sehr hohen Breitengrad starten, z.B. die russische Proton, steuern einen GTO+ („plus“) oder auch supersynchronen Transferorbit mit sehr hohem Apogäum an. Wegen der dort geringen Bahngeschwindigkeit können sie die hohe Inklination mit weniger Energieaufwand abbauen (bi-elliptischer Transfer). Zu diesem Zweck erhält der Flugkörper beim Überqueren der Äquatorebene eine Querbeschleunigung in seiner Bahnebene, die deren Neigung auf Null umlenkt.

Weitere Informationen:

• List of Orbits (Wikipedia)

Geostationary Carbon Cycle Observatory (GeoCarb)

Zeitweilig geplante Satellitenmission der NASA zum besseren Verständnis des irdischen Kohlenstoffkreislaufs und der Vegetationsgesundheit. Die Mission wird einen hochentwickelten Infrarot-Spektrographen einsetzen, der kostengünstig als Beiladung einem kommerziellen geosynchronen Satelliten aufmontiert wird. Das Instrument wird Infrarotstrahlung untersuchen, um die Konzentration der drei wichtigsten Kohlenstoffgase Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Kohlenmonoxid (CO) zu messen, sowie die Sonnenlicht-induzierte Fluoreszenz (SIF), ein Maß für die Pflanzengesundheit. Die Mission kann auf dem Erfolg der NASA-Mission Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) aufbauen. GeoCarb sollte ursprünglich 2022 starten und über Amerika positioniert, wo er mit einer Auflösung von 5 - 10 km den Bereich vom Südende der Hudson Bay bis zur Südspitze Südamerikas beobachtet.

Neue Technologien und wissenschaftliche Fortschritte werden die Beobachtungen für die Wettervorhersage verbessern und neue Meeres- und Atmosphärenmessungen ermöglichen. GeoXO wird hochauflösende Bilder im sichtbaren und infraroten Bereich in Echtzeit für die Überwachung des Wetters, der Ozeane und der Umwelt auf der Erde liefern. Die Daten von GeoXO werden zu Wettervorhersagemodellen beitragen und kurzfristige Wettervorhersagen und Unwetterwarnungen ermöglichen. GeoXO wird auch eine erweiterte Erkennung und Überwachung von Umweltgefahren wie Waldbränden, Rauch, Staub, Vulkanasche, Dürre und Überschwemmungen ermöglichen.

Weitere Informationen:

• GeoCarb: A New View of Carbon Over the Americas (NASA)
• NASA Satellite Will Watch Earth Breathe from Space (The Conversation)

Geostationary Extended Observations (GeoXO)

Das NOAA-Satellitensystem GeoXO (Geostationary Extended Observations) wird die Beobachtungen der Erde erweitern, die die GOES-R-Serie derzeit aus der geostationären Umlaufbahn liefert. Die von GeoXO gelieferten Informationen werden sich mit künftigen Umweltproblemen und Herausforderungen in Bezug auf das Wetter, den Ozean und das Klima befassen, die die Sicherheit und das Wohlergehen aller Menschen in der westlichen Hemisphäre bedrohen.

Die Erde als System

Integrierte GeoXO-Beobachtungen werden den Wissenschaftlern eine bessere Überwachung der Umweltbedingungen ermöglichen und die Beobachtungen anderer Satelliten der NOAA, der NASA und ihrer internationalen Partner ergänzen. Durch ein besseres Verständnis des Zusammenhangs zwischen Wetter, Wasser und Klima erhalten die Wissenschaftler ein tieferes Verständnis der Erde als System. Dies wird ihnen dabei helfen, aufkommende Umweltprobleme anzugehen, auf die Auswirkungen des sich verändernden Klimas zu reagieren und die Vorhersage und Warnung vor Unwetter- und Umweltgefahren zu verbessern.

Die NOAA geht davon aus, dass GeoXO Anfang der 2030er Jahre in Betrieb gehen wird, wenn sich die GOES-R-Serie dem Ende ihrer Betriebsdauer nähert.

Weitere Informationen:

• Geostationary and Extended Orbits (GeoXO) (NOAA)
• GeoXO Spacecraft & Instruments (NOAA)

Geostationary Meteorological Satellite (GMS)

Bezeichnung für eine frühere Serie japanischer geostationärer Wettersatelliten. Der erste GMS wurde 1977 vom Kennedy Space Center gestartet, der letzte 1995 vom Tanegashima Space Center aus. Die GMS-Serie wurde durch die MTSAT-Serie ersetzt, deren Dienstzeit 2015 ebenfalls zu Ende ging.

Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES)

Bezeichnung für die von der NASA entwickelte und von der NOAA betriebene Serie von geostationären Satelliten. GOES gehört zum gleichen weltumspannenden System meteorologischer Satelliten wie Meteosat.

Charakteristik von GOES

GOES-Satelliten befinden sich in einer geosynchronen Umlaufbahn, die sie über einem bestimmten Ort auf der Erde hält. Durch die Beibehaltung einer Position über einem festen Punkt auf der Erdoberfläche können GOES die atmosphärischen Bedingungen in einem bestimmten Teil der Erdatmosphäre ständig überwachen. Beachten Sie, dass sich nicht geosynchrone Umlaufbahnen (z. B. polare Umlaufbahnen) über einer sich ständig drehenden Erde bewegen und daher eine sich ständig ändernde Sicht bieten, was für andere Arten von Missionen von Vorteil ist.

GOE-Satelliten

• liefern ganztägig Wetterdaten
• überwachen bedrohliche Wetterereignisse wie Wirbelstürme oder Gewitter
• übermitteln Umweltdaten von Bodenbeobachtungsstationen zu Verarbeitungszentren
• ermöglichen die Bildfunkübertragung von verarbeiteten Wetterdaten zu Niedrigpreis-Empfangsstationen
• überwachen das Erdmagnetfeld, den energetischen Teilchenfluss in der Satellitenumgebung und Röntgenstrahlung von der Sonne
• spüren Notsignale von Schiffen und notgelandeten Flugzeugen auf (Search and Rescue).

Zu Beginn des Jahres 2023 NOAA besitzt und betreibt fünf geostationäre Satelliten, nämlich GOES-14, -15, -16, -17 und -18.

Quelle: NOAA / NESDIS

Im Januar 2023 befanden sich GOES-17 (GOES-West, bei 135° W über dem Pazifik) und GOES-16 (GOES-East, bei 75° W über dem Amazonas) im operativen Betrieb. Der am 27. Juni 2009 gestartete GOES-14 dient als Reserve und steht in einer Parkposition. GOES-13, der seit April 2010 die GOES-East Position innehatte, wurde am 8. Januar 2018 abgeschaltet, kann aber reaktiviert werden, wenn ein operationeller oder Reservesatellit ausfallen sollte. GOES-18 hat im Januar 2023 GOES-17 als GOES West abgelöst und befindet sich jetzt über dem Äquator über dem Pazifischen Ozean. GOES-17 wird als Standby-Satellit in der Umlaufbahn bleiben.

Beispielaufnahme 1: Eine 'Bombenzyklone'

Der NOAA-Satellit GOES-16 nahm diese dramatische Ansicht einer "Bombenzyklone" auf, die sich am 4. Januar 2018 die amerikanische Ostküste entlang bewegte. Der mächtige nor'easter beutelte die Küstenregionen von Maine bis Florida mit kräftigem Schneefall und starken Winden. Beachtenswert ist das lange Wolkenband, das sich vom Sturmzentrum über tausende Meilen bis tief in die Karibik erstreckt.

Umgangsprachlich sprechen Meteorologen von Bombengenese (engl. bombogenesis) wenn ein Sturm sich innerhalb kurzer Zeit rasch verstärkt. Genauer ausgedrückt handelt es sich um eine Zyklone (Tiefdruckgebiet) der Mittelbreiten, deren Kerndruck innerhalb von 24 Stunden um 24 hPa oder mehr sinkt. Im Winter bringen derartige Druckgebilde an der nordamerikanische Ostküste typischerweise kräftigen Niederschlag, starke Winde und Sturmfluten mit sich.

East Coast Bomb Cyclone Seen by NOAA's GOES-16 Satellite Quelle: NASA

GOES beobachten die USA und benachbarte Ozeane aus einer Höhe von 35.790 km über dem Äquator. Die beiden Hauptinstrumente der aktuellen Satelliten sind eine Kamera und ein Radiometer, die hochauflösende Bilder sowohl im sichtbaren, als auch im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums liefern. Zudem können Temperatur- und Feuchtigkeitsverteilungen in der Atmosphäre gemessen werden. Die Auflösung im sichtbaren Bereich beträgt 1 km, im infraroten Bereich 4 km. Die aktuellen GOES-Satelliten vermögen die Erde alle 30 Minuten zu scannen (full-disk-Bilder), bzw. die USA alle 15 min, bzw. ein Sturmgebiet alle 5 min, aber nicht alle gleichzeitig. Künftige Missionen erfahren eine deutliche Leistungssteigerung.

Beispielaufnahme 2: Ein GOES-Satellit fängt die Frühjahrs-Äquinoktien ein (20. März 2013)

Zweimal pro Jahr bescheint die einfallende Sonnenenergie gleichermaßen die Nord- und die Südhemisphäre, die Dauer des hellen Tages und der dunklen Nacht ist dann gleich lang. Am 20. 3. 2013 um 7h02 EST befand sich die Erde in den Frühjahrsäquinoktien. Um 7h45 EST nahm GOES-13 dieses Bild auf. Der bildgebende und im sichtbaren Bereich aufzeichnende Sensor auf GOES benötigt Sonnenlicht, um Wolken zu 'sehen', daher liefert er ein brauchbares Beispiel der Tag- und Nachtgleiche.

Die Darstellung der beleuchteten Erde reicht bis zu beiden Polen, da die ganze Hemisphäre gleich weit beleuchtet ist. Nach diesem Tag wird die N-HK stärker beschienen werden als die S-HK, es geht auf Frühjahr und Sommer zu.
Anmerkung: Die Sonne in diesem Bild ist künstlich eingefügt, auch wenn der Satellit Sensoren hat, um die Sonne hinsichtlich ihrer Sonnenaktivität kontinuierlich zu überwachen.

Ein GOES-Satellit fängt die Frühjahrs-Äquinoktien ein Quelle: NOAA

Beispielaufnahme 3: GeoColor-Bild der gesamten Erdscheibe vom 5. Mai 2022 (GOES-18)

Das Instrument Advanced Baseline Imager (ABI) des Satelliten hat vor kurzem atemberaubende Aufnahmen der Erde gemacht. GOES-18, der neueste geostationäre Satellit der NOAA, startete am 1. März. Das ABI betrachtet die Erde mit sechzehn verschiedenen Kanälen, von denen jeder Energie bei verschiedenen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums misst, um Informationen über die Atmosphäre, das Land und den Ozean der Erde zu erhalten.

Daten aus mehreren ABI-Kanälen können kombiniert werden, um Bilder zu erstellen, die dem entsprechen, was das menschliche Auge aus dem Weltraum sehen würde - ein Ergebnis, das als GeoColor bekannt ist. Durch die Kombination von Daten aus verschiedenen Kanälen auf unterschiedliche Weise können Meteorologen außerdem interessante Merkmale hervorheben.

Die Stürme im Osten von Texas brachten großen Hagel, starke Windböen und Tornados hervor. Weiter westlich in New Mexico sorgten starke Winde für große Staubaufwirbelungen und die Ausbreitung großer Waldbrände. In Südamerika hüllte Nebel Teile Chiles ein, und auf den Yucatan-Inseln und in Südflorida bildeten sich entlang der Meeresbrise Wolken und einige Gewittertürme.

GOES-18: GeoColor-Bild der gesamten Erdscheibe Quelle: NOAA NESDIS

Die aktuelle R-Serie

Die neueste, vierte Generation der geostationären Umweltsatelliten (GOES) der NOAA, die so genannte GOES-R-Serie, ist die modernste Flotte geostationärer Wettersatelliten des Landes. Sie besteht aus vier Satelliten und wird über ein integriertes NOAA-NASA-Büro verwaltet, das mit Mitarbeitern beider Behörden besetzt ist. Das Goddard Space Flight Center der NASA beaufsichtigt die Beschaffung der GOES-R-Sonde und der Instrumente, und das Kennedy Space Center der NASA verwaltet die Startdienste. Die NOAA verwaltet das Bodensystem, betreibt die Satelliten und verteilt ihre Daten an Nutzer in aller Welt.

Die GOES-R-Serie behält das von den vorherigen GOES-Satelliten eingeführte Zwei-Satelliten-Betriebssystem bei. Die Standorte der operationellen Satelliten der GOES-R-Serie sind jedoch 75,2⁰ W und 137,2⁰ W, statt 75⁰ W und 135⁰ W. Diese Verschiebungen vermeiden Konflikte mit anderen Satellitensystemen. Die NOAA unterhält außerdem einen GOES-Ersatzsatelliten auf 105⁰ W im Orbit für den Fall einer Anomalie oder eines Ausfalls von GOES East oder GOES West. Die Seite GOES History auf dieser Website bietet einen Rückblick auf das GOES-Programm.

Der GOES-16 (vorm. GOES-R) erfolgte am 19. November 2016 mit einer Atlas V. Im Dezember 2017 nahm der Satellit seine operationelle Arbeit auf, zuvor wurden seine sechs neuen Instrumente überprüft und validiert. GOES-S startete im März 2018, GOES-T am 1. März 2022, GOES-U wird 2024 folgen. Mit diesen Missionen werden full-disc-Aufnahmen alle 5 Minuten möglich und dies bei doppelt so hoher Auflösung.

GOES-Satelliten werden vor dem Start mit einem Buchstaben bezeichnet. Sobald ein GOES-Satellit die geostationäre Umlaufbahn erfolgreich erreicht hat, wird er mit einer Nummer umbenannt.

Karte mit der geographischen Abdeckung der GOES-Satelliten W und O Quelle: NOAA

Weitere Informationen:

• GOES Satellite Network (NASA)
• The CIMSS GOES Sounder and Imager Page (University of Wisconsin-Madison, SSEC)
• GOES-N, O, P Satellites (eoPortal Directory)
• GOES-R (eoPortal Directory)
• How satellite data becomes stunning views of earth (NOAA / NASA)
• GeoColor Product - Quick Guide (NOAA / NASA)

Geostationary Operational Environmental Satellite-R Series (GOES-16 / -17 / -18 / -19)

Bezeichnung für die neueste Generation geostationärer Wettersatelliten von NOAA und NASA. Das Vier-Satelliten-Programm der GOES-R-Serie besteht aus GOES-16 (vorm. GOES-R), GOES-17 (vorm. GOES-S), GOES-18 (vorm. GOES-T) und dem künftigen GOES-19 (aka GOES-U). Dies verlängert die Verfügbarkeit des operationellen GOES-Satellitensystems bis 2036.

GOES-Satelliten werden vor dem Start mit einem Buchstaben bezeichnet. Sobald ein GOES-Satellit die geostationäre Umlaufbahn erfolgreich erreicht hat, wird er mit einer Nummer umbenannt.

Die GOES-R-Serie (Geostationary Operational Environmental Satellite) ist die modernste Flotte geostationärer Wettersatelliten des Landes. Die GOES-R-Serie verbessert die Erkennung und Beobachtung von Umweltphänomenen, die sich direkt auf die öffentliche Sicherheit, den Schutz von Eigentum und die wirtschaftliche Gesundheit und den Wohlstand unseres Landes auswirken, erheblich. Die Satelliten bieten fortschrittliche Bildgebung mit höherer räumlicher Auflösung und schnellerer Abdeckung für genauere Vorhersagen, Echtzeit-Kartierung von Blitzaktivitäten und verbesserte Überwachung von Sonnenaktivität und Weltraumwetter.

Charakteristik von GOES

GOES-Satelliten befinden sich in einer geosynchronen Umlaufbahn, die sie über einem bestimmten Ort auf der Erde hält. Durch die Beibehaltung einer Position über einem festen Punkt auf der Erdoberfläche können GOES die atmosphärischen Bedingungen in einem bestimmten Teil der Erdatmosphäre ständig überwachen. Beachten Sie, dass sich nicht geosynchrone Umlaufbahnen (z. B. polare Umlaufbahnen) über einer sich ständig drehenden Erde bewegen und daher eine sich ständig ändernde Sicht bieten, was für andere Arten von Missionen von Vorteil ist.

Organisation

Die NOAA beaufsichtigt das Programm der GOES-R-Serie über ein integriertes NOAA-NASA-Büro, das das Bodensystem verwaltet, die Satelliten betreibt und ihre Daten an Nutzer in aller Welt verteilt. Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwaltet die Beschaffung der Satelliten und Instrumente und hat das Magnetometerinstrument für GOES-T und GOES-U gebaut. Das Launch Services Program der NASA mit Sitz im Kennedy Space Center verwaltet die Startdienste für die GOES-Missionen. Lockheed Martin entwickelt, baut und testet die Satelliten der GOES-R-Serie. L3Harris Technologies liefert das Hauptinstrument, den Advanced Baseline Imager, sowie das Bodensystem, das auch das Antennensystem für den Datenempfang umfasst.

GOES-U ist der letzte Satellit der GOES-R-Serie, die bis in die 2030er Jahre in Betrieb sein soll. Für die Zukunft arbeitet die NOAA gemeinsam mit der NASA an der Entwicklung der nächsten Generation von operationellen Satelliten im geostationären Orbit, die als Geostationary Extended Observations (GeoXO) bezeichnet werden. GeoXO wird neue und verbesserte Beobachtungen der Atmosphäre, des Wetters und der Ozeane liefern, um neue Umweltprobleme anzugehen, auf die Auswirkungen des sich verändernden Klimas zu reagieren und die Vorhersage und Warnung vor Unwettern und Gefahren zu verbessern. Die NASA wird die Entwicklung der GeoXO-Satelliten leiten und sie für die NOAA starten.

Bildbeispiel: Hurrikan Maria über Puerto Rico (20.9.2017 GOES-16)

GOES-16 nahm die folgenden kolorierten Infrarotbilder des Hurrikans Maria über Puerto Rico am 20. September 2017 auf. Diese Bildschleife wurde mit Band 13 erstellt, einem der neuen Spektralbänder, die von ABI angeboten werden. Band 13 wird in erster Linie zur Überwachung von Wolken und Sturmintensität verwendet.

Die dunkelrote Farbe, wie die in der Nähe der Augenwand des Sturms, entspricht Bereichen mit hoher Intensität. Der Hurrikan Maria legte das Radar auf der Insel lahm. Da diese wichtige Technologie deaktiviert war und sich ein großer Hurrikan näherte, nutzten die Meteorologen die Daten von GOES-16, um den Sturm in Echtzeit zu verfolgen.

Leistungsfähigkeit

Der Imager der GOES-R-Serie scannt die Erde fünfmal schneller, mit viermal höherer Auflösung und dreimal mehr Kanälen als frühere GOES-Satelliten und ermöglicht so genauere und zuverlässigere Vorhersagen und Unwetterwarnungen. Der Imager liefert Bilder von Wettermustern, Hurrikanen und schweren Stürmen in Abständen von bis zu 30 Sekunden.

GOES-R Series Das Raumfahrzeug und seine Instrumente: Advanced Baseline Imager (ABI) Extreme Ultraviolet and X-ray Irradiance Sensors (EXIS) Geostationary Lightning Mapper (GLM) Magnetometer (MAG) Space Environment In-Situ Suite (SEISS) Solar Ultraviolet Imager (SUVI) Quelle: NOAA / NASA

Die Satelliten der GOES-R-Serie sind mit dem ersten operationellen Blitzmessgerät ausgestattet, das in einer geostationären Umlaufbahn geflogen wird und sowohl Blitze in der Wolke als auch Blitze zwischen Wolke und Boden misst. Sich entwickelnde schwere Stürme weisen oft eine erhebliche Zunahme der gesamten Blitzaktivität auf, und die Daten des GOES-R Series Lightning Mappers haben ein großes Potenzial, die Vorwarnzeit für schwere Gewitter und Tornados zu verlängern.

Die GOES-R-Serie umfasst auch eine Reihe von Instrumenten, mit denen sich herannahende Gefahren des Weltraumwetters besser erkennen lassen, z. B. Störungen der Energieversorgung, der Kommunikations- und Navigationssysteme sowie Strahlungsschäden an Satelliten in der Umlaufbahn. Die Instrumente ermöglichen eine fortschrittliche Bildbeobachtung der Sonne und die Erkennung von Sonneneruptionen sowie eine genauere Überwachung von energetischen Teilchen und Magnetfeldschwankungen im Zusammenhang mit dem Weltraumwetter.

Der Advanced Baseline Imager (ABI) auf GOES-16, GOES-17, GOES-18 und später GOES-19 misst reflektierte und emittierte Bilder, um Informationen über das Land, die Atmosphäre und den Ozean der Erde zu erhalten. Die sichtbaren Kanäle von ABI erfassen das von der Erde reflektierte Sonnenlicht und sind nur tagsüber sichtbar. Die Infrarotkanäle von ABI erfassen Energie, die für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Sie erfassen die Energie, die von Objekten wie der Erdoberfläche und Wolken abgestrahlt wird. ABI kann Infrarotbilder bei Tag und Nacht erfassen.

Aufgaben und Nutzen

GOES-R hilft den Meteorologen bei der Beobachtung und Vorhersage von lokalen Wetterereignissen, einschließlich Gewittern, Tornados, Nebel, Sturzfluten und anderem Unwetter. Zusätzlich eignet sich der Satellit zum Monitoring von Gefahren durch Aerosole, Staubstürme, Vulkanausbrüche und Waldbrände. Er wird auch eingesetzt in den Bereichen Weltraumwetter, Ozeanographie, Klimamonitoring, in situ-Datenerhebung und für Search-and Rescue-Aufgaben. Die Serie ist ferner hilfreich bei der Verkehrssicherheit und der Flugroutenplanung, sowie bei einer verbesserten Warnung vor Kommunikations- und Navigationsstörungen sowie Stromausfällen.

Die Erkennung und Beobachtung von Umweltphänomenen wirken sich direkt auf die öffentliche Sicherheit, den Schutz von Eigentum und die wirtschaftliche Gesundheit und den Wohlstand des beoachteten Gebietes aus.

GOES-R Series Die Hauptaufgaben der neuen Satellitenserie: Visible and Infrared Imagery Lightning Mapping Space Weather Monitoring Solar Imaging Quelle: NOAA / NASA

Missionsverlauf

• Der Start des ersten Exemplars (GOES-R) erfolgte am 19. November 2016 mit einer Atlas V 541 Trägerrakete von Cape Canaveral aus. Die moderne Technologie des Satelliten und seiner Instrumente führt zu rascheren und genaueren Vorhersagen und Unwetterwarnungen. Man erwartet eine verbesserte Erkennung und Beobachtung von Wetterphänomen, die sich direkt auf die öffentliche Sicherheit, den Schutz von Eigentum und letztlich den Wohlstand und die wirtschaftliche Entwicklung auswirken können.
  Nach dem Erreichen seiner endgültigen Umlaufbahn innerhalb von 2 Wochen nach seinem Start wurde GOES-R in GOES-16 umbenannt. Im Dezember 2017 nahm der Satellit seine operationelle Arbeit auf, zuvor wurden seine sechs neuen Instrumente überprüft und validiert. GOES-16 ist seinen operationellen Orbit auf 75,2 Grad West positioniert und erhielt seinen offiziellen Namen GOES-East. NOAAs GOES-13, der bislang die Bezeichnung GOES-East trug, wurde nach einer Überlappungszeit Anfang 2018 auf eine Parkposition manövriert.
• GOES-S startete im März 2018 (aka GOES-17). Der Instrumentensatz von GOES-17 ist identisch mit dem von GOES-16. Im Mai 2018 stellte die NOAA eine Fehlfunktion des Kühlsystems des Advanced Baseline Imagers (ABI) fest. Als Folge ist die Aufnahmezeit von Bildern im Infrarot und im nahen Infrarot auf 12 h pro Tag beschränkt.
• GOES-T (aka GOES-18) startete am 1. März 2022, GOES-U wird 2024 folgen. Nach dem Start wurde GOES-T in GOES-18 umbenannt, sobald er die geostationäre Umlaufbahn erreicht hatte. Nach einer erfolgreichen Überprüfung seiner Instrumente und Systeme in der Umlaufbahn nahm die NOAA GOES-T sofort in Betrieb. Nach dem Betriebsübergang wird GOES-18 auf die GOES-West-Position bei 137,2 W verschoben, während GOES-17 auf 105 W driftet und in der Umlaufbahn gelagert wird. Unter der Annahme einer normalen Funktion wird GOES-18 Anfang 2023 zum operationellen GOES-West-Satelliten.
• GOES-U, der vierte und letzte Satellit der Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES) - R Series, dem fortschrittlichsten Wetterbeobachtungs- und Umweltüberwachungssystem der westlichen Hemisphäre, geht in die letzte Phase der Vorbereitungen vor dem Abheben. Die NASA und SpaceX planen den Start von GOES-U mit einer Falcon Heavy-Rakete frühestens am 30. April 2024.
• Nach dem Start werden die beiden seitlichen Booster der Falcon Heavy abgetrennt und zur Landung in den Landezonen 1 und 2 von Space X gebracht. SpaceX wird den mittleren Booster ausstoßen, und die Hälften der Nutzlastverkleidung kehren zur Erde zurück, wo die Crews sie nach der Landung im Ozean wieder in Empfang nehmen werden. SpaceX wird wahrscheinlich die seitlichen Booster und die Nutzlastverkleidung für zukünftige Missionen wiederverwenden.

Karte mit der geographischen Abdeckung der GOES-Satelliten East und West Quelle: NOAA

Weitere Informationen:

• GOES-R (NOAA / NASA)
• GOES-R Series Spacecraft and Instruments (NOAA / NESDIS)
• GOES-R Related Links (NASA)
• GOES-R (eoPortal Directory)
• GOES-R Satellites Orientation Course (MetEd)
• GOES-R has become GOES-16 (NOAA)
• NOAA satellites go HD with GOES (NOAA)
• National Environmental Satellite Data and Information (NOAA)
• GOES-T Mission Overview (NOAA)
• Geostationary Imagery Every 10 Minutes! (NASA WorldView)

geosynchron

Engl. geosynchronous, franz. géosynchrone; Bezeichnung für eine Satellitenumlaufbahn, deren Winkelgeschwindigkeit mit derjenigen der Erde synchron ist. Ein geosynchroner Orbit tritt demnach auf, wenn die Umlaufbahn eine Periode von 86164 Sekunden (23 Stunden, 56 Minuten, 4 Sekunden), der Dauer eines Sterntages entspricht.

Ein Spezialfall ergibt sich, wenn der Orbit kreisförmig ist und in der Äquatorebene liegt. Man spricht dann von einem geostationären Orbit (GEO, Geostationary Earth Orbit). Der Satellit erscheint also einem Beobachter auf der Erde immer am gleichen Ort. Diese spezielle Umlaufbahn hat sich für die Telekommunikation bewährt, weil insbesondere die Antennen immer auf einen bestimmten Punkt ausgerichtet bleiben. Von dieser Höhe kann der Satellit auf ca. ein Drittel der Erdoberfläche ausstrahlen. Während geostationäre Satelliten über einem Punkt auf dem Äquator verharren, lassen sich mit einem System aus wenigen geosynchronen Satelliten größerer Bahnneigung auch Regionen in hohen Breiten ohne Unterbrechung abdecken.

Geowissenschaften und Fernerkundung

Die geowissenschaftliche Fernerkundung (FE) ist eine junge Fachdisziplin der Geowissenschaften, die seit dem Start des ersten Erdbeobachtungssatelliten im Jahr 1972 zunehmend Bedeutung innerhalb der Geowissenschaften gewinnt. Die Fernerkundungsdaten werden meist flugzeug- oder satellitengetragen erhoben, aber auch Drohnen, Luftschiffe und andere Plattformen kommen zum Einsatz. Die Ergebnisse der geologischen Interpretation von Luft- und Satellitenbildern werden in vielen Fällen zu thematischen Karten ausgearbeitet.

Generell befasst sich die geowissenschaftliche Fernerkundung sich mit der Gewinnung von Daten der Erdoberfläche mit Hilfe von abbildenden Beobachtungssystemen. Diese überwinden das Problem der Punktmessungen und erzeugen flächendeckende (synoptische) Datenfelder der elektromagnetischen Eigenschaften der Oberfläche, aus denen dann auf den Zustand bzw. die Eigenschaften der erfassten Oberflächen geschlossen werden kann.

Weltweit gibt es eine Vielzahl von Instituten, Agenturen, Behörden und auch private Firmen, die sich mit diesen Arbeitsfeldern befassen. Dazu gehören beispielsweise BGR, DLR, GFZ, USGS, ESA, NASA, NOAA, MAXAR, Planet und viele mehr.

Geodaten aus dem All

Bei der Erkundung des Erdsystems sind insbesondere Satellitendaten zu einer zunehmend wichtigen Informationsquelle geworden. Fernerkundungsdaten sind in den Geowissenschaften sehr bedeutend, denn nur durch sie wird eine globale Beobachtung der Erdoberfläche und Atmosphäre mit guter räumlicher Auflösung möglich. Daneben kann mit satellitengestützten Fernerkundungssensoren auch wiederholt ein bestimmtes, umgrenztes Gebeit im Zeitverlauf beobachtet werden.

Mit der satellitengestützten Fernerkundung ist es beispielsweise möglich, Daten zur exakten Vermessung der Erdoberfläche zu erhalten und das Erdschwerefeld sowie das Erdmagnetfeld in bisher nie dagewesener Präzision zu bestimmen. Daraus lassen sich Bewegungen von Kontinentalplatten und Vorgänge an den Plattengrenzen rekonstruieren und vorhersagen sowie Hebungs- und Senkungsprozesse mit hoher Genauigkeit bestimmen. In den Bereichen der Navigation und Positionierung oder Landvermessung sind diese Informationen bereits unverzichtbar geworden.

Satelliten sind auf ihrer Bahn den verschiedensten physikalischen Einflüssen und Feldern ausgesetzt. Schon der erste US-amerikanische Satellit (Explorer 1, 1958) hat mit seinen einfachen Strahlungsmessgeräten zur Entdeckung des Van-Allen-Gürtels geführt.

Magnetometer zur Vermessung des Erdmagnetfeldes wurden seither auf einer Vielzahl von Satelliten mitgeführt, darunter der deutsche CHAMP. In ihrer Orbitgeometrie speziell auf diese Aufgabe abgestimmt, ist die ESA-Mission SWARM seit 2013 in der Lage, die inneren und äußeren Komponenten des Erdmagnetfeldes noch besser vermessen zu können.

Ein für globale und regionale geophysikalische Phänomene, darunter auch globale Klimaindikatoren, wichtiges Feld wird durch die Gravitation beschrieben. Massen und Massenbewegungen deformieren das sog. Geoid, die Fläche gleicher Schwere. Da sich die Bahnen von Erdsatelliten nach dem lokalen Schwerefeld ausrichten, erzeugen kleine Änderungen des Schwerefeldes auch minimale Änderungen der Satellitenbahn. So ist die hochgenaue Vermessung der Satellitenbahn der Schlüssel zur Berechnung des Schwerefeldes. Als Messmethode steht z.B. das Laser-Tracking oder Satellite Laser-Ranging (SLR) zur Verfügung. Am Satelliten befestigte Reflektoren spiegeln vom Boden ausgesandte Laserimpulse wieder zurück. Mit Hilfe der Laufzeit des Laserimpulses wird die Distanz zwischen Bodenstation und Satellit gemessen. Ein globales Netzwerk von Satellite-Ranging-Stationen führt solche Messungen durch. Die Position und die Geschwindigkeit eines Satelliten werden aber auch durch eine Vielzahl weiterer Einflüsse - nicht zuletzt die verbleibende Atmosphäre auch in großer Höhe - bestimmt.

Umgekehrt geht die genaue Kenntnis des Schwerefeldes auch wieder in die Berechnung von Satellitenbahnen ein. Die hochgenaue Lagebestimmung und damit die genaue Verortung von Bildpunkten am Boden bei Daten optischer Satelliten ist damit auch der Schwerefeldmessung zu verdanken. Aber auch klimatische Veränderungen, z.B. Auswirkungen des ENSO-Phänomens, pausen sich als differentielle Änderung des Schwerefeldes durch. Damit sind diese durch die Methoden der Satellitengeodäsie nachweisbar.

Weiterhin liefern Satelliten Informationen über die Ozeanzirkulation und atmosphärische Prozesse. Auch die Mächtigkeit kontinentaler Eisschilde oder des Meereises sowie Veränderungen des Meeresspiegels lassen sich aus Satellitenmessungen ableiten. Diese Daten stellen wichtige Informationen für die moderne Klimatologie dar und dienen als Indikatoren für globale Klimaänderungen. Nicht zuletzt können mit Hilfe von Satellitenbeobachtungen Informationen zur globalen Landnutzung gewonnen werden.

Mit kontinuierlichen Messungen können langjährige Zeitreihen aufgestellt werden, mit deren Hilfe auch langperiodische Prozesse mit Zyklen von z. B. zehn oder hundert Jahren identifiziert und beobachtet werden können. Hierzu gehören Schwankungen der Rotationsachse und Rotationsgeschwindigkeit, aber auch Schwankungen des Schwerefeldes, die durch Massenverlagerungen in der Atmosphäre, im hydrologischen Kreislauf und in der festen Erde verursacht werden.

Ein wichtiges Einsatzgebiet von Satellitendaten ist deren Nutzung im Rahmen der Frühwarnung vor Naturgefahren. So bilden GPS-Daten z. B. einen integralen Bestanteil von Tsunami-Frühwarnsystemen. Dank der präzisen Vermessung der Erdoberfläche kann man zudem Deformationen von Vulkanhängen erkennen, die einen möglichen Ausbruch ankündigen können. Außerdem kann die Verbreitung vulkanischer Gas- und Aschewolken mit Hilfe von Satelliten verfolgt werden. Die Beobachtung aus der Umlaufbahn liefert auch wichtige Informationen über Veränderungen der Erdoberfläche nach Naturkatastrophen, etwa nach Beben, Überflutungen oder Hangrutschungen und werden daher im Rahmen der Katastrophenhilfe eingesetzt.

Im geowissenschaftlichen Sinn ermöglicht die FE in verschiedensten Bereichen die Entwicklung neuer Modellvorstellungen. Dies gilt beispielhaft für hochpräzise flächendeckende Vermessung mit Hilfe der Interferometrie, die die Dynamik von Oberflächenveränderungen z.B. in aktiven Störungszonen, vor Erdbeben erst beobachtbar machen. Weitere Bereiche sind die Erfassung und Beobachtung von Verteilungsmustern von Gesteinsoberflächen, Böden und Vegetation und deren Veränderung im Hinblick auf Katastrophenmanagement, Bodendegradation, Erosion und Desertifikation.

In der Landschaft bestehen zwischen den Oberflächenformen, anderen Erscheinungen und dem geologischen Unterbau enge Zusammenhänge. Daher ist es der Geologie möglich, aus den in Luft- und Satellitenbildern sichtbaren Formen und Merkmalen der Erdoberfläche vielfältige Rückschlüsse auf die Gesteinstypen, auf Lagerstätten und den tektonischen Aufbau der Erdoberfläche zu ziehen. Dies gilt insbesondere für aride und semiaride Regionen, in denen die Oberflächenformen kaum durch Pflanzenbewuchs bedeckt werden.

Aber auch in den dicht bewachsenen feuchten Tropengebieten und in den gemäßigten humiden Bereichen bieten Reliefformen, Vegetationsmuster, Landnutzung und ähnliches Hinweise zur Unterscheidung von Gesteinseinheiten und zur Erfassung von tektonischen Strukturen.

Verwerfungsstrukturen - ein Beispiel aus Xinjiang

Im folgenden Satellitenbild von der nordwestlichen Provinz Xinjiang, dominiert eine bemerkenswerte Reihe von Bergrücken die Landschaft. Die höchsten Hügel erheben sich bis zu 1.200 Meter über die angrenzenden Becken und sind mit charakteristischen roten, grünen und cremefarbenen Sedimentgesteinsschichten verziert. Die Farben spiegeln Gesteine wider, die zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Umgebungen entstanden sind. Die roten Schichten nahe dem oberen Ende der Abfolge sind Sandsteine aus dem Devon, die von alten Flüssen gebildet wurden. Die grünen Schichten sind Sandsteine aus dem Silur, die in einem mäßig tiefen Ozean entstanden sind. Bei den cremefarbenen Schichten handelt es sich um Kalkstein aus dem Kambrium-Ordovizium, der in einem flachen Ozean entstand.

Der Operational Land Imager (OLI) auf dem Satelliten Landsat 8 nahm diese Ansicht des Keping Shan-Überschiebungsgürtels am 30. Juli 2013 auf. Die Kämme sind von Nordost nach Südwest ausgerichtet und erstrecken sich von Kashgar bis Aksu, China. Schmale Becken trennen die Kämme, und an einigen der tiefsten Punkte sind flache Seen zu sehen. Die helleren Bereiche sind Sedimente, die von ausgetrockneten Seen zurückgelassen wurden. Während der größte Teil der Region trocken und unfruchtbar ist, verläuft im unteren Teil des Bildes ein grüner Streifen mit Vegetation entlang des Kashgar-Flusses. Die Ausläufer des Tien-Shan-Gebirges sind in der Nähe des oberen Bildrandes zu sehen.

Verwerfungen in Xinjiang Satellitenaufnahme eines kurzen Abschnittes des insgesamt 70 km langen Ausbisses der Piqiang-Störung, einer sinistralen (linkssinnigen) Blattverschiebung am Südrand des Tienschan (W-China). Deutlich zu erkennen ist der Versatz der vielfarbigen Höhenrücken östlich der Verwerfung um ca. 3 km gegenüber denen westlich der Verwerfung. Ergänzender Link: Mineralien mit Licht und dem Instrument ASTER auf dem Satelliten Terra kartieren (NASA Earth Observatory 2014) Quelle: NASA Earth Observatory

Radarmissionen

Ein Beispiel mit TanDEM-X

In den zurückliegenden 50 Jahren hat uns die interplanetare Raumfahrt die Kartierung der kraterübersäten alten Oberflächen unserer benachbarten Planeten und Monde im Sonnensystem ermöglicht. Einschläge von Asteroiden, verbunden mit der Entstehung von Einschlagkratern auf ihren Oberflächen spielten eine wichtige Rolle in der protoplanetaren Scheibe des sich gerade bildenden Sonnensystems. Auch später beeinflussten sie die Entwicklung der Planeten. Der Einschlag großer Projektile wirkte sich auf der Erde sogar auf die Entwicklung des Lebens aus.

Auf unserem Heimatplaneten repräsentiert die heutige Anzahl der weltweiten Einschlagkrater allerdings nur einen Bruchteil dessen, was die Erde im Lauf ihrer Geschichte an Einschlägen erfahren hat. Tektonische Aktivität, Erosion und Verwitterung sowie Sedimentation hat den Großteil dieser Einschlaghistorie ausgelöscht. Der übrig gebliebene Anteil ist von diesen geologischen Prozessen oft bis zur Unkenntlichkeit verändert oder im Untergrund unseren Blicken entzogen.

Die Kartierung dessen, was von den Einschlägen der Vergangenheit heute noch auf der Erdoberfläche zu sehen ist, kann von Satelliten aus erdnahen Umlaufbahnen vorgenommen werden. Oft behindert dabei die Erdatmosphäre infolge dichter Bewölkung oder starker Luftverschmutzung den freien Blick oder fehlende Ausleuchtung durch die Sonne entzieht den Erdboden einer genauen Betrachtung. Jedoch kann man heute mit Methoden der Fernerkundung, entwickelt in den zurückliegenden Jahren, die Herausforderung, die Erdoberfläche mit hoher Präzision zu kartieren, erfolgreich bewältigen.

Zwischen 2010 und 2016 hat die deutsche X-Band Radarmission TanDEM-X, geleitet und betrieben vom DLR, das erste hochaufgelöte globale digitale Höhenmodell der festen Erdoberfläche erstellt. Es basiert auf der Methode der Interferometrie mittels Synthetischen Aperturradars. Aus diesen Daten entstand zum ersten Mal ein weltweites Geländemodell mit einer Höhengenauigkeit von bis zu einem Meter. Wissenschaftler haben mit Hilfe dieser Daten den ersten topographischen Atlas aller heute bekannten terrestrischen Einschlagkrater erstellt.

Der Atlas "TERRESTRIAL IMPACT STRUCTURES - The TanDEM-X Atlas" vermittelt die Grundlagen des Einschlagprozesses, der Radarfernerkundung im Allgemeinen sowie der TanDEM-X Raumfahrtmission im Speziellen.

Er zeigt die Einschlagkrater der Erde in mehr als 200 hochaufgelösten topographischen Karten, ergänzt durch geologische Beschreibungen sowie einer Vielzahl von Aufnahmen dieser Strukturen. Der Atlas vermittelt für jeden Kontinent einen umfassenden Überblick über dessen Inventar an Einschlagkratern. Es folgt eine physische Karte der Impaktstruktur Serra da Cangalha/Brasilien, erstellt aus dem digitalen Höhenmodell der TanDEM-X Mission.

Physische Karte der Impaktstruktur Serra da Cangalha/Brasilien Quelle: The TanDEM-X Atlas

BodenBewegungsdienst Deutschland

Bodenbewegungen können eine Gefahr für Bevölkerung und Infrastruktur darstellen. Daher werden seit langem Bewegungsprozesse im Bereich von Untertagenutzung (z..B. Bergbau, Geothermie) relevanter Infrastruktur (z.B. Deiche, Brücken) mit terrestrischen Vermessungsmethoden (z.B. Nivellement, GPS) überwacht. Stadtentwicklungsprojekte und Maßnahmen zur Gefährdungsabschätzung verlassen sich dabei auf die Überwachung der Bodenbewegungen, die üblicherweise mithilfe von landbasierten Vermessungsmethoden stattfindet.

Moderne Fernerkundungsmethoden, wie die satellitenbasierte SAR-Interferometrie (InSAR) ermöglichen kosteneffiziente Messungen von Bodenbewegungen mit hoher Präzision (Radarfernerkundung). Um eine nationale operationelle Nutzung der Copernicus Daten und der InSAR-Technik zu unterstützen, setzt die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) den BodenBewegungsdienst Deutschland (BBD) als dauerhafte Anwendung um. Die erzeugten Daten-Produkte können z.B. von Behörden zur verbesserten Gefahrenabwehr, Raum-, Stadtplanung etc. genutzt werden. Ein pan-europäischer Dienst ist im Rahmen von Copernicus im Aufbau (European Ground Motion Service).

Der Kerndatensatz des BodenBewegungsdienstes Deutschland basiert auf bundesweiten Copernicus Sentinel-1 Daten, die mittels des Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) Verfahrens verarbeitet werden. Für die Entwicklung und Prozessierung der ersten BBD-InSAR Produkte beauftragte die BGR das DLR-IMF Oberpfaffenhofen. Neben diesem, regelmäßig aktualisierten, Datensatz sind optional zusätzliche Auswertungen für ausgewählte Regionen möglich. Diese basieren auf hochaufgelösten SAR Daten von z.B. TerraSAR-X.

Neuerdings können die Radarbilder der Mission Sentinel-1 Bodenbewegungen kartographieren und dabei helfen, Veränderungen dieser Bewegungen auf wenige Millimeter genau nachzuverfolgen. Diese erste deutschlandweite Karte zeigt millimetergenau, wie sich die Landoberfläche in Deutschland jährlich zwischen 2014 und 2018 verschoben hat.

Das Absinken im Westen des Landes, in der Karte rot markiert, rührt vom Braunkohletagebau, begleitet von einer Grundwassersenkung, her. Blau markierte, angrenzende Gebiete sind wahrscheinlich das Resultat eines Grundwasseranstiegs nach dem Stopp der Bergbauaktivitäten.

BodenBewegungsdienst Deutschland Quellen: BGR / ESA

Um die Kombination der fernerkundlich erstellten Bodenbewegungsdaten mit anderen unabhängigen Datensätzen sicherzustellen, wird u.a. eine Kalibrierung der PSI- Daten mit Zeitreihen kontinuierlicher GNSS-Stationen durchgeführt. Zudem werden Plausibilitätsprüfungen durch Geländebegehungen (Charakterisierung der Rückstreuobjekte), optische Fernerkundungsdaten (Copernicus Sentinel-2) und anderen Geodaten (geologische Karten) durchgeführt. Zur interaktiven Visualisierung der Bodenbewegungsdaten steht ein WebGIS zur Verfügung.

Luftbilder

Luftbilder sind in der Geologie seit langem eine nicht mehr weg zu denkende Informationsquelle. Sie ergänzen die Außenarbeit des Geologen, da in ihnen Erscheinungsformen und räumliche Zusammenhänge zu erkennen sind, die erst aus der Vogelperspektive sichtbar werden.

Die geologische Auswertung von Luft- wie auch von Satellitenbildern interpretiert dabei, neben den verschiedenen Grau- und Farbtönen, vor allem morphologische Eigenheiten, Entwässerungsnetze, Texturen, Vegetation und Landnutzung. Bei der Interpretation von Satellitenbildern werden zusätzlich großräumige Strukturen erfasst und eine statistische Analyse von Lineamenten durchgeführt. Dadurch besteht die Möglichkeit, Berg- und Talformen, Hangneigungen etc. zu analysieren und Rückschlüsse auf die Gesteinsarten, ihre Lagerung, ihre gegenseitige Abgrenzung und tektonische Strukturen zu ziehen.

Mit Flugzeugscannern aufgenommene Thermalbilder verwendet die Geologie oft zur Lösung spezieller Probleme. Diese beinhalten die Unterscheidung von lockeren und festen Gesteinen aufgrund ihres unterschiedlichen Thermalverhaltens, die Kartierung von tektonischen Störungen, an denen durch Feuchtigkeitsunterschiede stärkere Verdunstung auftritt, die Erfassung geothermaler Anomalien sowie die Beobachtung aktiver Vulkane.

Bergbaurelevante Einsatzmöglichkeiten

In Deutschland befassen sich vorrangig eine Abteilung der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe mit der Beobachtung der Erdoberfläche hinsichtlich ihrer Beschaffenheit und der auf ihr ablaufenden Prozesse auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen. Die Tätigkeiten der Fernerkundung der BGR umfassen den anwendungsorientierten Einsatz von Fernerkundungsdaten und die methodischen Entwicklungen im Nahbereich und Fernbereich, welche für ein breites Spektrum von Anwendungsfeldern von Interesse sind. Auch die Sektion Fernerkundung und Geoinformatik am GFZ Potsdam ist mit vergleichbaren Aufgaben betraut.

Die Nutzung von Copernicus-Daten zur Überwachung bergbaulicher Aktivitäten, aber auch zum Monitoring ehemaliger Bergbauregionen sowie zur Erschließung von Lagerstätten ist bereits in F&E-Vorhaben auf nationaler und europäischer Ebene z. B. in GMES4Mining, Terrafirma, PanGeo und EOMiners untersucht worden.

Für das Monitoring von Bodenbewegungen mittels Radarinterferometrie sollen in absehbarer Zeit bundesweit konsistente, unter anderem mit den Vermessungsverwaltungen abgestimmte Datensätze zur Verfügung gestellt werden. Der Bodenbewegungsdienst beinhaltet die Verifizierung, d. h. die Qualitätskontrolle der Prozessierung und der Ergebnisse sowie die Interpretation der Ergebnisse basierend auf thematischen Daten und Karten, Geländebegehung sowie Zusatzdaten.

Die Fernerkundung der BGR gründet auf und verbindet Multispektralverfahren und Hyperspektralverfahren, Radartechnologie und Thermalfernerkundung. Der Fokus liegt auf der Anwendung von Verfahren der Fernerkundung und der Entwicklung neuer und automatisierter Methoden und Standards zur Analyse und Extraktion detaillierter Informationen. Fernerkundungsmethoden werden genutzt und entwickelt, um Aufgaben und Anwendungen im In- und Ausland zur Erkundung, Kartierung und der Bewertung von Geologie, Georisiken, Umwelt, Boden, Wasser und Rohstoffen durchzuführen.

In ariden und semiariden Gebieten, die keine bzw. nur eine geringe Vegetationsbedeckung aufweisen, ermöglicht die multispektrale und hyperspektrale Fernerkundung eine Analyse der Boden- und Gesteinsoberfläche im Zusammenhang mit der Exploration von mineralischen Rohstoffen. Hierzu werden die spektralen Eigenschaften (Fingerabdruck) an der Oberfläche vorkommender indikativer Minerale, wie z. B. Hämatit, Goethit und Jarosit analysiert, um oberflächlich oxidierte Zonen von Metallsulfiden (sog. Gossans oder Eiserne Hüte) zu detektieren. Da der spektrale Fingerabdruck der oben genannten Minerale im Wellenlängenbereich von 900 nm spektral breit genug ist, kann dieser sogar mit multispektralen Systemen erfasst werden. Dazu wird die Tiefe des Eisenabsorptionsbands (IFD) als Indikator für die Exploration genutzt. Die auf diese Weise ermittelten Gossans können nun durch gezielte Feldbegehung weiter erkundet werden. Hierbei ist zu beachten, dass für genauere Analysen der mineralogischen Zusammensetzung der Oberfläche hyperspektrale Satellitendaten, wie sie zukünftig vom EnMAP-System (242 Spektralkanäle) aufgezeichnet werden, notwendig sind.

Die gleichen spektralen Indikatoren können zur Überwachung alter Bergbauhalden verwendet werden. Ziel ist dabei, den Materialaustrag in die Umwelt so weit wie möglich zu minimieren. In diesem Zusammenhang kann insbesondere die synergetische Nutzung von multispektralen Satellitensystemen (z. B. Sentinel-2), die eine hohe räumliche und zeitliche Abdeckung aufweisen, in Kombination mit zukünftigen hyperspektralen Systemen (z. B. EnMAP) zeitkritische Informationen (z. B. Monitoring von Bergbau- und Bergbaufolgelandschaften, Ölsande) zur Oberflächenzusammensetzung liefern. (GFZ)

Wissenschaftler vom GFZ und aus China haben Daten der Sentinel-1-Mission ausgewertet und in einer Studie neue Möglichkeiten der Überwachung von Bergbaugebieten gezeigt. Sie benutzten die Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR) und untersuchten damit Braunkohleregionen in Nordrhein-Westfalen. Mit ihrem Erfassungszeitintervall einer sechstägigen Wiederholung und einer sehr geringen Bahnabweichung bietet die Sentinel-1-Mission SAR-Daten, die helfen, Gefahren in ganz spezifischen Bergbaugebieten in Deutschland zeitlich und räumlich viel detaillierter zu untersuchen als bisher. Durch eine Kombination der Ergebnisse dieser neuen Technologie mit anderen Messungen vor Ort und hochauflösender SAR-Systeme wie dem deutschen TerraSAR-X könne man das geotechnische Risiko von Tagebauen weitaus vollständiger als bisher bewerten.

Mittlere Deformationsraten über dem Tagebau Hambach Die Darstellungen wurden aus Daten verschiedener SAR-Satelliten ermittelt. Negative und positive Werte entsprechen Senkungen bzw. Hebungen. Die Studie zeigt, dass es in den Tagebaugebieten Hambach, Garzweiler und Inden deutliche Landabsenkungen gibt. Grund dafür ist der Verdichtungsprozesses von Abraum über wieder aufgefüllten Gebieten mit Senkungsraten zwischen 31 und 50 Zentimetern pro Jahr für die Gruben bei Inden, Hambach und Garzweiler. Aus den Satellitendaten ließ sich ebenfalls eine signifikante horizontale Verschiebung von bis zu 12 Zentimeter pro Jahr an einer Grubenflanke feststellen. Auch die ehemaligen Tagebaue Fortuna-Garsdorf und Berghein im östlichen Teil der rheinischen Kohlereviere, die bereits für die Landwirtschaft zurückgewonnen wurden, weisen Senkungen auf, die bis zu zehn Zentimeter pro Jahr erreichen. Quelle: IDW / GFZ

Weitere Informationen:

• Hunting Landslides with Landsat (NASA Earth Observatory)
• GeoMultiSens - Skalierbare multisensorale Analyse von Geofernerkundungsdaten (GFZ Potsdam)
• Geohazard Supersites and Natural Laboratories (GEO)
• Geological Mapping and Mineral Exploration (hyvista)
• Fernerkundung (BGR)
• Bodenbewegungsdienst (BGR)
• Mount Etna boils over (NASA Earth Observatory 2013)
• 3D Earth in the making (ESA)
• Mapping Minerals with Light (NASA Earth Observatory 2014)
• Satelliten in den Geowissenschaften (GFZ Potsdam)
• Fernerkundung in der Exploration und im Haldenmonitoring im südlichen Afrika (GFZ Potsdam)
• Die Anwendung von Satellitenbilddaten zur tektonischen Analyse der Schwarzwaldes und des angrenzenden Oberrheingrabens (Franzke, H.J. u.a.)
• Gefahr aus der Tiefe - Satellitendaten helfen bei der Überwachung von Bergbaufolgen (Countdown Nr. 39, 2020)
• Daten der Mission Sentinel-1: Deutschlandkarte zeigt Verschiebungen der Landoberfläche (ESA / BGR)
• Aus der Vogelperspektive: Drohnen in der Vulkanforschung (GEOMAR / Helmhotz 2021)
• High-Tech-Einsatz beim Vulkanmonitoring (ESKP / GEOMAR / Helmholtz / GFZ 2021)
• Fernerkundung aktiver Vulkane mit Kleinsatelliten (Astro- und Feinwerktechnik Adlershof 2021)
• Zukunftsreport Wissenschaft. Erdsystemwissenschaft – Forschung für eine Erde im Wandel. Leopoldina (2022)

GERB

Engl. Akronym für Geostationary Earth Radiation Budget; Instrument an Bord der MSG-Satelliten zur Bestimmung der Strahlungsbilanz der Erde. GERB ist ein abtastendes Radiometer mit zwei Breitband-Kanälen, von denen einer die gesamte von der Erde ausgehende Strahlung und der andere lediglich einen kurzen Wellenbereich erfasst. Durch die Differenz der auf den beiden Kanälen ermittelten Werte kann die von der Erde in den Weltraum reflektierte Strahlung geschätzt und damit die das Klimasystem der Erde beeinflussende Energie gemessen werden.

Dieses kleine, sehr genau kalibrierte Radiometer sitzt am Rande der MSG-Satelliten. Da die MSG sich mit 100 Umdrehungen pro Minute drehen, erfährt GERB und alle seine Teile eine Beschleunigung von 18 g.

GERB hat eine Größe von 45 x 20 x 15 cm und wiegt ca. 40 kg. Ein Spiegel reflektiert Strahlung ain Richtung auf eine Detektorreihe, welche Messungen entlang eines Nord-Süd gerichteten Beobachtungsstreifens durchführt. Der Spiegel ist so konzipiert, dass jede Messfolge von Osten nach Westen weiterrückt, so dass die komplette Erdscheibe im Verlauf von 5 Minuten und mit einer räumlichen Auflösung von ca. 50 km² beobachtet wird.

Drei dieser Messungen werden dann gemittelt um das Signal/Rausch-Verhältnis zu erhöhen und um die gleichzeitige Registrierung von SEVIRI-Daten zu ermöglichen, was die Bereitstellung von hochaufgelösten Bildern in Intervallen von 15 Minuten ermöglicht.

Das in Synergie mit dem Hauptabbildungsgerät auf den MSG, SEVIRI, verwendete GERB gibt Wissenschaftlern die Möglichkeit, die Rolle von Wolken und Wasserdampf in der Strahlungsbilanz festzustellen, was unmittelbare Auswirkungen auf Klimamodell haben wird.

Das Instrument GERB Quelle: Imperial College London

Weitere Informationen:

• GERB Home Page (Imperial College London)
• GERB (CEOS EO Handbook)
• Earth Radiation Budget Radiometers (The Earth Observation Handbook Rio+20)

Gesamtstrahlungstemperatur

Engl. total radiation temperature, franz. temperature rayonnante totale; DIN 18716 formuliert: Die "Temperatur des Schwarzen (Planckschen) Strahlers, bei der dieser die gleiche spezifische Ausstrahlung hat wie der zu kennzeichnende Strahler.".

Geschichte der Fernerkundung (FE)

Aufzeichnende Erkundung von Objekten aus der Ferne, ohne mit ihnen direkten Kontakt zu haben, besitzt eine lange Tradition und ist mit unterschiedlichen Motiven verbunden. Das interessierende Objekt (Erdoberfläche, Atmosphäre, Weltraum) ist dabei möglicherweise nicht erreichbar oder der Beobachter will unbemerkt bleiben und hält Distanz. Die Qualität von Fernerkundungsergebnissen war und ist stark abhängig vom jeweiligen Stand der Technik. Bezieht man ihre Vorformen mit ein, so reichen die Technologien der Fernerkundung von der Schaffung erhabener Beobachtungspunkte (Wachtürme) und dem Gebrauch einfacher Ferngläser bis zu hochkomplexen Satellitensystemen.

Die Technologie der modernen Fernerkundung begann vor über 180 Jahren mit der Erfindung der Photographie (Joseph Nicéphore Nièpce). Auch wenn die ersten, noch recht einfachen Photos vom Boden aus aufgenommen wurden, machte man bereits in den 40er Jahren des 19. Jahrhunderts Aufnahmen zu Kartierungszwecken von Fesselballons aus. G. Tournachon (alias NADAR) gelangen 1858 erste spektakuläre photographische Bilder aus dem Ballon über Paris.

Revolutionär war die berühmte bayerische Taubenflotte gegen Ende des Jahrhunderts. Erst mit Beginn der Luftfahrt im ausgehenden 19. Jahrhundert, welche unabhängig aber etwa zeitgleich zur Entwicklung der Photographie erfolgte, fand die moderne analoge Geofernerkundungsmethodik ihren Ursprung. Hierbei handelte es sich meist um Einzelaufnahmen, die in keinem systematischen Schema untergebracht waren und nur wenig wissenschaftlich ausgewertet wurden.

Im ersten Weltkrieg leisteten auf Flugzeugen montierte Kameras unschätzbare Dienste für die militärische Aufklärung. Die kontinuierliche photographische Reihenaufnahme aus der Luft von strategisch wichtigen Geländabschnitten von allen Kriegsparteien vorangetrieben. Nach Kriegsende flossen die gesammelten Erfahrungen in das auflebende zivile Luftbildwesen ein, welches ab ca. 1920 für forstliche, archäologisches und allgemeine geographische Zwecke konzipiert wurde (z.B. Landesaufnahmen, Expeditionen, Erkundung, Kartographie der Kolonien, etc.). Der wissenschaftliche Nutzen der Luftbildtechnik wurde erstmals systematisch durch Troll (1939) in Deutschland untersucht.

Während des 2. Weltkrieges dominierten erneut militärischen Fragestellungen das Luftbildwesen. Wichtige taktische Operationen konnten ohne Aufklärungsflüge und dem Einsatz von Reihenmesskameras nicht mehr vorbereitet oder nachträglich auf Erfolg überprüft werden. Es wurde so erstmals die Herstellung von Luftbildplanwerken umgesetzt, die eine systematische Fernerkundung ermöglichten und noch heute in Form von Befliegungsplänen realisiert werden. Zugleich wurden erste Routineeinsätze mit Farbfilmen für die Luftbildaufnahme durchgeführt, wobei z.T. bereits Infrarot-Filme erprobt wurden. Vor der Landung der Alliierten in der Normandie wurden z.B. Luftaufnahmen von der Küste gemacht, um geeignete Landepositionen ausfindig zu machen. Durch die Messung küstennaher Wellen konnte die Wellenlänge bestimmt und davon ausgehend die Wassertiefe berechnet werden. Es wurde Infrarotfilm eingesetzt, um grüne Vegetation zu erkennen und von Tarnnetzen zu unterscheiden.

Satellitenbasierte Fernerkundung kann auf die Frühzeit des Weltraumzeitalters mit russischen und amerikanischen Programmen zurückgeführt werden. Beispielsweise wurden 1946 ehemals deutsche V2-Raketen von White Sands (New Mexico) in große Höhe abgefeuert. Diese Raketen trugen automatische Still- oder Fimkameras, die während des Aufstiegs Aufnahmen machten. Sie erreichten aber nie eine Umlaufbahn.

Nach dem Ende des Krieges trieben vor allem US-amerikanische Institutionen die zivile Fernerkundung technisch voran, so daß die Luftbildinterpretation zur ersten eigenständigen Disziplin der Geofernerkundung wurde. Colwell forcierte besonders die Verwendung von Farbinfrarotfilmen für die vegetationskundliche Forschung. Der Einsatz derartig neuer Techniken erwies sich auch für die anderen Geodisziplinen vorteilhaft (Bodenkunde, Geologie, Geomorphologie, Kartographie etc.). Mit fortschreitender technischer Entwicklung fanden in den sechziger Jahren neue Abtast-Systeme (engl.: scanner) oder Radar-Systeme (z.B. SAR) zunehmend in der Geofernerkundung Anwendung. Etwa 10 Jahre später wurden experimentell Computer zur einfachen Bildanalyse eingesetzt. Das analoge Bild mußte somit erstmalig digitalisiert werden. Die traditionelle analoge Luftbildinterpretation war somit nur noch eine Teildisziplin der zunehmend digitaler werdenden Geofernerkundungsmethodik. Heute werden ein Grossteil der Standard-Luftaufnahmen bereits durch digitale Reihenmesskameras gewonnen.

Ebenfalls Anfang der 60er Jahre des vorigen Jh. begann nach einigen Dekaden der Luftbildnutzung die Ära der satellitenbildgestützten Fernerkundung mit den vor allem die Meteorologen interessierenden täglichen Bildern amerikanischer Wettersatelliten. Zur gleichen Zeit machten Kosmonauten und Astronauten bei ihren Erdumrundungen Aufnahmen aus ihren Raumkapseln. Für nicht an wetterkundlichen Informationen interessierte begann diese Ära - und damit auch bald die allgemeine Verwendung der Begriffe "Remote Sensing" bzw. "Fernerkundung" - 1972 mit dem ersten für zivile Zwecke der Erfassung von Landoberflächen gestarteten ERTS-1 (syn. Landsat-1). Seitdem folgten eine Vielzahl unterschiedlichster Spezialsatelliten, welche z.T. auch in technischen Generationsabfolgen geplant wurden (z.B. LANDSAT-1 bis 7, oder ERS-1 bis 2, SPOT-1 bis SPOT-5, ASTER, IRS-1 bis 3, Quickbird, RapidEye etc.).

Mit dem Einsatz von Satelliten wurde parallel auch die Kommunikationstechnik revolutioniert, welche es erlaubt, die vom Erderkundungssatelliten gewonnen Daten rasch nahezu überall auszuwerten. Heute werden fast monatlich neue Satelliten in ihre Umlaufbahnen gebracht, von denen man sich Aufschlüsse über komplexe Umweltpobleme erhofft - in einer Zeit der zunehmenden Globalisierung von Umweltproblemen wird dieser Ansatz immer wichtiger.

Aber ohne Zweifel spielte schon sehr früh der militärische Einsatz von Fernerkundungsdaten eine wichtige Rolle bei der technologischen Entwicklung. Die Beobachtung und Einschätzung gegnerischer Streitkräfte, die Überwachung eigener, im Ausland stationierter Truppen, die Kontrolle von Abrüstungsvereinbarungen beeinflussten taktisch-strategische, wie auch politische Entscheidungen.

Auf eine Phase euphorischer Überschätzung der Möglichkeiten der damaligen FE folgte zunächst eine Ernüchterung angesichts der tatsächlich noch vorhandenen Nutzungsprobleme. Bald folgte jedoch eine sich steigernde Weiterentwicklung von Auswertungstechniken, vor allem durch die auch weiterhin nicht abgeschlossene Verbesserung und Vielfalt der Sensoren, einschließlich des Radars. Hinzu traten die Verknüpfungsmöglichkeiten verschiedener FE-Daten untereinander und mit anderen Daten in geographischen Informationssystemen sowie die Schaffung abgeleiteter Produkte. Gleichzeitig erfolgte der Übergang von experimenteller zu operationeller und damit wirtschaftlicher Datennutzung. Aktuell sind zwei Trends auszumachen, die einen zunehmend vielseitigen Einsatz erlauben:

• einerseits die Entwicklung zu immer feinerer spektraler Differenzierung und höherer räumlicher Auflösung,
• andererseits die Entwicklung zu großräumiger Erfassung für globales Monitoring.

Zur Bildergalerie Geschichte der Fernerkundung

Weitere Informationen:

• Earth Observation History (Herbert J. Kramer)
• 100 Jahre Deutsche Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation e.V. (Albertz, Jörg; In: PFG - Jahrgang 2009, Heft 6)
• Looking at Earth (Smithsonian National Air and Space Museum)
• Sixty Years of Earth Observations: from Explorer-1 (1958) to CYGNSS (2017) - (NASA GSFC)

Gesichtsfeld

Engl. field of view; der quer zur Flugrichtung gemessene Winkel, unter dem die von einem Sensor aufgenommene Fläche von der Flugbahn aus erscheint.

GESTRA

Engl. Akronym für German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar; Radarsystem zur Beobachtung und Verfolgung von Weltraumobjekten wie etwa Satelliten, Raumfahrzeugen oder Weltraumschrott im erdnahen Orbit (LEO). So ist es etwa möglich, Raumfahrtsysteme oder die Internationale Raumstation ISS durch rechtzeitige Warnung vor einer Kollision mit Schrottteilchen zu schützen. Schätzungen zufolge umkreisen derzeit bereits mehr als 128 Millionen kleinster Partikel die Erde und stellen bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 28.000 Kilometern pro Stunde eine Gefährdung für aktive Weltraumtechnologien dar.

Das GESTRA-Radar, das die größeren dieser Objekte erfassen und ihre Bahn vermessen kann, arbeitet im Mikrowellenbereich und erkundet den niedrigen Erdorbit in einer Höhe von 300 bis 3000 Kilometern - also dem Bereich, in dem sich die meisten Satelliten und die ISS befinden.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hatte im Jahr 2015 das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) mit der Entwicklung und dem Bau eines Weltraumradars beauftragt, um Weltraummüll besser überwachen zu können. Auch angesichts der großen und noch deutlich wachsenden Zahl von Satelliten ist ein sogenanntes Weltraumlagebild immer wichtiger geworden für den Schutz und die Nachhaltigkeit von Weltraumaktivitäten.

Im September 2020 wurde GESTRA an das DLR sowie das Weltraumlagezentrum übergeben, von dem das System betrieben wird. Im November 2020 wurden damit erste Objekte im Erdorbit entdeckt. Das Radarsystem hat nach einer intensiven und erfolgreichen Test- und Verifikationsphase im Dezember 2023 mit der finalen Überprüfung begonnen. Damit ist dieses weltweit einzigartige System zur Weltraumüberwachung in seine mehrmonatige Abnahme gestartet.

Standort des Systems ist das Bundeswehrgelände Koblenz-Schmidtenhöhe. Das teilmobile Radarsystem besteht aus einem separaten Sende- und Empfangssystem in getrennten Containern und basiert auf Phased-Array-Antennen. Die Daten des Experimentalradars werden im gemeinsam vom DLR Raumfahrtmanagement und der Luftwaffe in Uedem (Niederrhein) betriebenen Weltraumlagezentrum verarbeitet. Dort entsteht ein umfangreicher Katalog, der rund um die Uhr über die 'Lage im All' und mögliche Gefahren informiert. GESTRA liefert wertvolle Daten, die zur Erstellung eines deutschen Katalogs für Weltraumschrott verwendet werden sollen. Dieser Katalog ergänzt die bereits bestehenden Kataloge der USA und der EU. Die Finanzierung des GESTRA-Betriebs erfolgt durch das Bundesministerium der Verteidigung.

GESTRA-Antenne mit 3D-Positionierer Quelle: DLR

Mit Hilfe der von GESTRA gewonnenen Radardaten soll ein unabhängiger nationaler Bahndatenkatalog erstellt werden. In diesem Verzeichnis werden alle erfassten Weltraumobjekte aufgelistet und deren Daten kontinuierlich aktualisiert. Falls ein bestimmtes Objekt im Weltraum genauer untersucht werden soll, kann dies über das Weltraumbeobachtungssystem TIRA verfolgt und abgebildet werden.

Im Rahmen des Projektes EUSST (European Space Surveillance and Tracking) soll mit Hilfe der Daten von GESTRA und weiterer Radarsysteme auch ein europäischer Bahndatenkatalog erstellt werden. Die GESTRA-Daten werden zudem für wissenschaftliche Forschungsprojekte zur Verfügung gestellt. Sie ergänzen auch den bestehenden Kataloge der USA (Space Surveillance System). Die NASA unterhält einen globalen Katalog, den Masterkatalog. In diesem sind die meisten Flugobjekte im LEO verzeichnet. Was die US-amerikanischen Satelliten angeht, so sind sie aus taktischen Gründen jedoch in den Listen meist nicht zu finden.

Deutschland möchte sich daher aus dieser bisherigen Abhängigkeit lösen. Dazu sind zwei verschiedene Radar-Systeme nötig: Eines, das einzelne Weltraumobjekte verfolgt und abbildet – das übernimmt das Weltraumbeobachtungssystem TIRA. Und ein weiteres, das die Überwachungsfunktion erfüllt, also die verschiedenen Objekte in einem großen Raumausschnitt aufspürt. Dies kann nur ein Phased-Array-Radar mit hoher Reichweite und Strahlagilität, das es jedoch vor GESTRA auf deutscher Seite nicht gab.

Eine der Besonderheiten von GESTRA liegt in der Mobilität des Systems. Es besteht aus zwei Einheiten (Sheltern) – dem Sende- sowie dem Empfangs-Shelter. Durch diese Aufteilung kann es relativ einfach per Schwertransport an verschiedene Aufstellorte verbracht werden, und es ermöglicht auch ein Netzwerk von Radarsystemen für die Weltraumüberwachung. Denn stehen die Radare beispielsweise 300 Kilometer auseinander, sehen sie Objekte aus verschiedenen Winkeln. Dies ermöglicht eine deutlich genauere Positionsbestimmung als mit einem einzigen Radar.

GESTRA erlaubt eine kontinuierliche Überwachung im großen Raum – mit ihm lassen sich die Bahndaten von vielen Objekten gleichzeitig ermitteln. Zudem können über GESTRA die Höhe der Objekte sowie deren Inklination – den Grad zwischen Erdäquator und Umlaufbahn – bestimmt werden.

Weitere Informationen:

• GESTRA (German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar) (eoPortal Directory)

Gesundheit und Fernerkundung

Schlüsselvariablen für die Beeinträchtigung der menschlichen Gesundheit sind u.a. Veränderungen der natürlichen Umwelt wie das Auftreten von Schadstoffen in der Luft, in Süß- und Salzwasser, die Beeinträchtigung der Ozonschicht oder Landnutzungsänderungen. Dürren können zu Unterernährung und zu lebensbedrohlichen Wald- und Buschbränden führen, Staubstürme und Smog verursachen oft Atemwegserkrankungen, Algenblüten verunreinigen Nahrungsmittel aus dem Meer. Ferner sind Klimawandel und extreme Wetterereignisse mit einer Vielzahl von Gesundheitsrisiken verbunden. Dazu treten zivilisatorisch bedingte Gesundheitsrisiken wie Ölunfälle, Brände aufgrund kriegerischer Auseinandersetzungen usw.

Satelliten können zwar einen globalen Überblick bieten, aber es ist wichtig zu beachten, dass satellitengestützte Sensoren die vertikale Atmosphärensäule messen, die sich vom Satelliten bis zur Oberfläche erstreckt, und nicht die Schadstoffkonzentrationen auf der Oberfläche (diese Daten werden von Sensoren erfasst, die in Bodenstationen installiert sind oder sich an Bord von Flugzeugen befinden). Daher kann es zu gewissen Diskrepanzen zwischen den von Sensoren an Bord von Satelliten und den von Instrumenten näher an der Oberfläche erfassten Werten kommen.

Satellitengestützte Daten werden in vielen Bereichen des Gesundheitswesens und der Luftqualität eingesetzt, z. B:

• Überwachung der Bewegung von Rauch- und Staubfahnen bei Waldbränden
• Verfolgung des Weges der Asche von Vulkanausbrüchen
• Identifizierung der Konzentrationen von Stickstoffdioxid (NO2), Schwefeldioxid (SO2) und anderen Schadstoffen in der Nähe von Städten, Vororten und großen Verkehrssystemen
• Verständnis dafür, wie sich die Konzentrationen dieser Schadstoffe im Laufe der Zeit verändern

Vom Satelliten gemessene optische Aerosoltiefe Sensoren an Bord von Satelliten messen die vertikale Säule der Atmosphäre unterhalb des Sensors. Dies ermöglicht eine tiefe, aber begrenzte Bewertung der Schadstoffe. Quelle:NASA

Teilweise können Fernerkundungsdaten von Wetter-, Land- und Ozeanparametern mit entsprechender Aufbereitung bei Vorbeugung, (Früh)Warnung, Monitoring, Forschung und Gesundheitsplanung behilflich sein. Beispielsweise lassen sich georäumliche Informationen bezüglich vektorübertragener Krankheiten, bei denen die Krankheitsvektoren bestimmte Ansprüche an ihre Lebensräume stellen - so Anopheles-Arten für Malaria und Dengue oder das Verbreitungsgebiet für Zecken (Feuchte, Defragmentation von Waldgebieten) - mittels Fernerkundung ermitteln. Die Fernerkundungsdaten können dann neben anderen Daten zur Modellierung herangezogen werden.

So leisten Anwendungen von z.T. fernerkundungsgestützten Geographischen Informationssystemen (GIS) und Forschungstätigkeiten, die sich an der Schnittstelle zwischen Geographie und Medizin befinden, einen wesentlichen Beitrag zur Gesundheitsvorsorge oder auch zur Seuchenbekämpfung. Hierbei kann es sich um die Beschreibung und Erklärung raumbezogener Variationen von Krankheit, um die Planung von Gesundheitseinrichtungen handeln oder oder um eine verbesserte Gesundheitsprävention handeln.

Durch Nutzung von Erdbeobachtung kann man z.B. eine Verbesserung der globalen UV-Index Vorhersagen erzielen, ein wichtiger Indikator für das Hautkrebsrisiko. Auf Basis des UV-Index kann die Bevölkerung bei Überschreitung des Schwellenwertes z.B. im Internet gewarnt werden. Im Kontext Allergien erlaubt die Fernerkundung die Charakterisierung des Beginns der Pollenflugsaison und zeigt zudem regionale Differenzen eindeutig auf. Ziel ist es durch die Verschneidung unterschiedlicher Informationen Pollenflugvorhersagen zu erstellen, um hierdurch die Patienten effektiv warnen zu können. Im Bereich Asthmaprävention kann die Fernerkundung zudem wichtige Informationen über die Feinstaubbelastung liefern. Insgesamt ist der Vorteil der Fernerkundung, dass die Satellitendaten auch detaillierte regionale Informationen liefern, welche von den In-Situ Messnetzen nicht ausreichend flächenmäßig erfasst werden. Wichtig ist eine Verschneidung von Fernerkundungsdaten mit In-Situ Daten zur Weiterverarbeitung durch numerische Modelle.

In der Krankheitsökologie, die auch als geographische Epidemiologie bezeichnet wird, werden GIS zur Identifizierung möglicher Gesundheitsprobleme, zum Nachweis signifikanter räumlicher Muster von Krankheitsfällen sowie zur geographisch-ökologischen Analyse, bei der Gesundheitsdaten und Risikofaktoren der physikalischen, chemischen, biologischen oder sozialen Umwelt räumlich miteinander verknüpft werden, genutzt. Die wohl bekannteste historische Karte zur Aufklärung von Krankheitsverbreitungen ist die des Arztes John Snow (1813-1858). Anhand der Kartierung der örtlichen Wasserversorgungsverhältnisse konnte im Jahr 1849 die Ursache der Cholera in London, in diesem Fall die Kontamination einer öffentlichen Pumpe, enthüllt werden. Heute werden GIS im Rahmen der Krankheitsökologie zur Überwachung von Infektionskrankheiten, in der Krebsepidemiologie oder eben auch beispielsweise zur Analyse von Mortalitätsunterschieden in der Bevölkerung genutzt.

ESA, NASA und JAXA haben auf der Plattform Earth Observation Dashboard COVID-19-relevante Satellitendaten zusammengestellt, wodurch - aufgeteilt nach Umwelt-, Wirtschafts- und Sozialindikatoren - die Weltregionen anschaulich verglichen werden können. So lassen sich z.B. rasante Verringerungen des Stickoxid-Gehalts der Luft während Lockdowns global messen, ebenso dessen schnelle Zunahme bei Lockerung der Maßnahmen. Das Europäische Daten Relay System (EDRS) stellt dabei mit Hilfe von Laserkommunikation sicher, dass die erforderlichen Daten dem Nutzer annähernd in Echtzeit zur Verfügung stehen.

Im Zusammenhang mit COVID-19 wurden in vielen Staaten zahlreiche satellitenbasierte Tracking-Anwendungen eingeführt, die einen wertvollen Beitrag zur Eindämmung der Pandemie leisten, z.B. die Galileo Green Lane App der EU-Kommission.

Weitere Informationen über Satellitenanwendungen finden Sie in der Getting Started Resource, die vom Health and Air Quality Applied Sciences Team (HAQAST) der NASA erstellt wurde. Weitere Artikel, in denen erklärt wird, wie NASA-Daten zur Untersuchung der gesundheitlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung verwendet werden, finden Sie hier:

• New Insights in Air Quality Monitoring Using Satellite Data (The Magazine for Environmental Managers, September 2021)
• NASA Satellites Help Scientists Determine the Global Burden of Asthma (NASA Applied Sciences Program, October 24, 2019)
• Integration of Airborne Dust Prediction Systems and Vegetation Phenology to Track Pollen for Asthma Alerts in Public Health Decision Support Systems (NASA Applied Sciences Program, Project Report)
• NASA Satellite Helps Collect 15 Years of Southern California Air Pollution data; Results Show Air Pollution Controls Working (California Air Resources Board, June 5, 2018; Release Number 18-33)

Weitere Informationen:

• Quantifying Weather and Climate Impacts on health in developing countries - QWeCI (Uni Köln 2014)
• Could COVID-19 Have Seasons? Searching for Signals in Earth Data (NASA Earth Observatory 2020)
• COVID-19 Impact seen by Satellite (EO Dashboard)
• Diseases Data Pathfinder (NASA EarthData)
• Public Health (NASA EarthData)
• Copernicus for Health – Combating diseases through satellite data (Copernicus 2022)
• Of Mosquitoes and Models: Tracking Disease by Satellite (NASA Earth Observatory 2020)
• 2009–2011 GEO Health Tasks (Group on Earth Observations o.J.)
• Science Serving Public Health (NASA 2006)
• Outbreak Alerts from Space (NASA Science 2004)
• Predicting Rift Valley Fever (NASA 2009)
• Mapping Malaria (NASA 2000)
• Terra and Aqua satellites track tiger mosquito invasion: modelling the potential distribution of Aedes albopictus in north-eastern Italy (Neteler, M. et al. 2011)
• Application of Geographical Information Systems and Remote Sensing technologies for assessing and monitoring malaria risk (Ceccato, P. et al. 2005)

Gewässer und Fernerkundung

Die Kenntnis hydrologischer Prozesse, das Verstehen der globalen und lokalen Kreisläufe des Wassers mit dessen geographischer und zeitlicher Verteilung sowie Erkenntnisse der Interaktion des Wassers mit Lithosphäre, Atmosphäre, Biosphäre und Anthroposphäre sind von elementarer Bedeutung für das (Über-)Leben und Wirtschaften des Menschen und dessen Wechselwirken mit der Umwelt.

Insofern berühren hydrologische Fragestellungen Bereiche wie (Trink-)Wasserwirtschaft, Energiewirtschaft, Landwirtschaft, Schifffahrt (z.B. Eisbergwarnung), Raumplanung, Umweltschutz, Erosionsschutz und Katastrophenmanagement, z.B. bei Dürren oder Überschwemmungen.

Die zur Bearbeitung der Fragestellungen und zur Entwicklung von Simulationsmodellen nötigen Datengrundlagen können durch unterschiedlichste Mess- und Analysemethoden (konventionelle Pegelmessungen, Niederschlagsmessungen, Geophysik, Gravimetrie, Fernerkundung, Geochemie usw.) bereitgestellt werden. Neben hydrologisch-meteorologischen Variablen sind dabei auch Hintergrundinformationen über Relief, Landnutzung, Gewässernetz essentiell.

Der Wasserkreislauf

Der Wasserkreislauf hat keinen Ausgangspunkt, aber man kann mit dem Wasser der Ozeane beginnen, da dort die größte zusammenhängende Wassermenge vorhanden ist (vgl. Grafik unten). Die Sonne, die als Motor des Wasserkreislaufs gilt, erwärmt Wasser in den Ozeanen. Ein Teil davon verdunstet als Wasserdampf und gelangt in die Atmosphäre. Ein vergleichsweise kleiner Teil wird durch Sublimation zu Wasserdampf, wenn es aus Eis oder Schnee direkt vom festen in den gasförmigen Zustand (Wasserdampf) übergeht. Dazu tritt Wasserdampf, der von Pflanzen abgegeben wird (Evapotranspiration) oder aus Böden verdunstet.

Die aufsteigende Luft verbreitet den Wasserdampf in der Atmosphäre, wo die kühlere Temperatur den Waserdampf zur Kondensation, zur Eis- und zur Wolkenbildung bringt. Luftströmungen sorgen für globale Wasserdampftransporte, Wassertröpfchen und Eiskristalle in den Wolken kollidieren, wachsen und fallen als Niederschlag aus den Wolken. Ein Teil des Niederschlags fällt als Schnee und kann in Eiskappen und in Gletschern akkumulieren und so gefrorenes Wasser für Tausende von Jahren speichern. In wärmeren Klimaten bilden sich nur saisonale Schneedecken, die im Frühjahr abtauen und über Flüsse ins Meer gelangen.

Der größte Teil des Niederschlags fällt zurück in die Ozeane oder auf Land, wo es der Schwerkraft folgend teilweise an der Oberfläche abfließt und wiederum über Flüsse die Meere erreicht. Jedoch fließt nicht das gesamte Wasser in Flüsse. Eine große Menge des Wassers versickert im Untergrund (Infiltration) und füllt Grundwasserspeicher auf, teilweise für sehr lange Zeit (Aquifere). Ein bestimmter Teil des Infiltrationswassers bleibt nahe der Oberfläche und kann von dort als Grundwasserabfluss in Seen, Flüsse und direkt ins Meer fließen. An bestimmten Stellen kann Grundwasser als Quellen den Untergrund verlassen. Aber ein sehr großer Teil des Grundwassers wird von Pflanzenwurzeln aufgenommen und dann wiederum über Evapotranspiration von den Blättern an die Atmosphäre abgegeben.

Der globale Wasserkreislauf ist ein zentraler Prozess des Systems Erde, da er jede physikalische, chemische und ökologische Komponente betrifft. Klimawandelbedingte oder durch Landnutzungsänderungen verursachte Veränderungen in diesem Kreislauf gehören zu den wichtigsten Themen, denen sich die Geowissenschaftler und Umwelt-, wie auch Sozialpolitiker gegenüber sehen. Wasserbezogene politische Entscheidungen werden häufig getroffen, ohne alle Folgen zuverlässig abschätzen zu können. (vgl. WEBGEO-Modul Hydrologie)

Bessere Vorhersagen zum Verhalten des Wasserkreislaufes sind für folgende Aspekte von Bedeutung:

• Überwachung von Klimavariabilität und -wandel
• effektives Wassermanagement
• nachhaltige Nutzung der weltweiten Wasservorräte
• Erkennen von Trends im Wasserverbrauch und Erstellen von langfristigen Projektionen
• verbesserte kurzfristige Wettervorhersagen, sowie monatliche bis saisonale Vorhersagen, einschließlich Vorhersagen, die zur Schadensminderung bei Dürren und Überschwemmungen dienen

Wegen der Komplexität des globalen Wasserkreislaufes sind langfristige Beobachtungsreihen nötig, um sein Verhalten zu charakterisieren.

Eine Anzahl wichtiger Parameter muss erfasst werden:

• Globale Niederschlagsdaten werden benötigt als Grundlage für numerische Wettervorhersagesysteme, Klimamodelle und hydrologische Modelle.
• Messungen der Evapotranspiration sind wichtig für das Verständnis für den Einfluss der Pflanzendecke auf den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre und für die quantitative Abschätzung des Pflanzenwachstums.
• Die Bodenfeuchte beeinflusst die Differenzierung des Niederschlags in Infiltration und Oberflächenabfluss sowie auch die Differenzierung von Energie in fühlbare und latente Wärme, die an die Atmosphäre abgegeben wird. Wenn Wasser im Boden zurückgehalten wird, schafft dies eine Reserve, die für das Pflanzenwachstum wichtig ist.
• Oberflächenwasser ist wichtig für den häuslichen Gebrauch, für Bewässerung, für die Energieerzeugung und für Ökosysteme. Oberflächenabfluss und Abfluss in Fließgewässern sind entscheidende Messgrößen für die Hochwasservorhersage und für die Bewertung von hydrologischen Auswirkungen von Dürren.
• Daten zu Grundwasservorräten sind wichtig, um deren Veränderungen abschätzen und die Anfälligkeit und Nachhaltigkeit von strategisch wichtigen Aquiferen beurteilen zu können.
• Umfang der Wasserspeicherung in Schneedecken, Gletschern, Eisschilden, Seen und Feuchtgebieten.
• Meeresoberflächentemperatur als bedeutsamer Faktor, der die Niederschlagsmuster beeinflusst, oftmals sehr bedeutsam, wie im Falle des El Niño-Phänomens. Gekoppelt mit Daten zu Wind und Lufttemperatur liefert sie auch Informationen über Energieflüsse zwischen Atmosphäre und Ozean.
• Die Landoberflächentemperatur ist eine wichtige Variable, die zur Abschätzung der Evapotranspiration, der Schnee- und Gletscherschmelze, des Pflanzenwachstums u.w. beiträgt.
• Lufttemperatur und Wasserdampfgehalt

Landschaftsgestaltende Wirkung des Wassers, beobachtet mit Landsat-Satelliten

Die folgende Landsat-Bildsequenz des vom Gelben Fluss (Huanghe) erschaffenen Deltas ist ein Beleg für die landschaftsgestaltende Wirkung des Wassers. Chinas Huanghe ist der sedimentreichste Fluss der Erde. Vom Bayankara Shan im Hochland von Tibet kommend fließt in den Golf von Bohai. Dabei durchquert der Gelbe Fluss ein Plateau, das mit einer bis zu 300 m mächtigen Schicht aus feinem windverfrachteten Sediment (Löß) bedeckt ist. Dieses gering verfestigte Sediment kann leicht erodiert werden, und so werden jährlich Millionen von Tonnen vom Huanghe weggetragen. Große Mengen davon erreichen die Flussmündung, wo ein Delta entsteht, das permanent durch neues Material umgebaut wird. Während der vergangenen 2.000 Jahre ist das Delta des Gelben Flusses mehrere hundert Kilometer die Küste hinauf und herunter gewandert.

Seit der Mitte des 19. Jh. sind aber die unteren Flussabschnitte und das Delta massiven flussbaulichen Eingriffen unterworfen, um die Hochwasser einzudämmen und die Küstenerschließung zu schützen.

Die naturfarbene Bildsequenz von Landsat-Satelliten zeigt das Delta im Bereich der aktuellen Mündung in 5-Jahres-Intervallen von 1989 bis 2009. Zwischen 1989 und 1995 ist das Delta länger und enger geworden, einer nach SO gerichteten Biegung folgend. 1996 blockierten die chinesischen Flussbauingenieure aber den Hauptkanal und zwangen den Fluss sich nach NO zu wenden. Um 1999 (mittleres Bild) haben Erosion und Ablagerungen entlang des alten Kanals dazu geführt, dass sich die Spitze des Deltas zurückbildete, während sich im NO eine neue Halbinsel bildete.

Die neue Halbinsel wuchs im nächsten 5-Jahresintervall in die Breite, und Aquakulturen, die als dunkle Rechtecke erkennbar sind, expandierten deutlich in Gebieten südlich des Flusses.

Yellow River Delta - World of Change Quelle: NASA Earth Observatory

Bis 2009 war der Küstenbereich nordwestlich der neuen Mündung deutlich aufsedimentiert. Das war wohl das Ergebnis, das die Ingenieure erzielen wollten: Im Gebiet nordwestlich der frisch gesicherten Küstenlinie liegen ausgedehnte Öl- und Gasfelder, und deren Schutz ist ein vorrangiges Anliegen.

Obwohl es Hochwasserdämme, Buhnen und Ufermauern den Behörden ermöglichen, die Erosion zu bremsen und die Fließrichtung des Flusses zu bestimmen, bleiben dennoch andere Herausforderungen beim Schutz der natürlichen Feuchtgebiete des Deltas und bei der landwirtschaftlichen und industriellen Erschließung. Der Wasser- und Sedimentzustrom in das Delta ist seit den 1970er Jahren deutlich zurückgegangen, was sowohl auf geringere Niederschläge zurückzuführen ist, wie auch auf den explosionsartig gestiegenen Wasserbedarf durch Landwirtschaft und Siedlungen in den flussaufwärts liegenden Gebieten. In den 1990er Jahren fiel der Fluss häufig trocken, bevor er das Delta erreichte.

Diese Phasen mit Niedrigwasser oder Trockenfallen stellen ein großes Problem für die unteren Flussabschnitte und das Delta dar. Sie schädigen Feuchtgebiete und Aquakulturen schwer und verschlimmern das ohnehin schon ernsthafte Problem der Wasserverschmutzung. Ironischerweise verstärken sie auch das Hochwasserrisiko, denn bei niedrigem Wasserstand lagern sich im Flussbett leichter Sedimente ab. Dadurch erhöht sich das Flussbett. In manchen Abschnitten liegt es bis zu 10 m über der umgebenden Flussaue. Ein Dammbruch bei hohem Wasserstand hätte hier verheerende Wirkungen.

Die Rolle von Erdbeobachtungssatelliten bei der Gewässerfernerkundung

Erdbeobachtungssatelliten spielen eine wesentliche Rolle in der Bereitstellung von Informationen zur Untersuchung und zum Monitoring des Wasserkreislaufes und sind ein wichtiges Element der Beobachtungsstrategie. Der gleichzeitige Betrieb von speziell designten Satelliten und Sensoren aus Europa, Japan und den USA ermöglicht die Erstellung von neuen, integrierten Datensätzen auf Mehrjahresbasis. Satellitendaten schaffen viele Möglichkeiten, die Menge und Qualität an Informationen zu erhöhen, die für die Wasserwirtschaft nötig sind. Ihre globale Natur trägt auch dazu bei, die Datenkontinuität für grenzüberschreitende Einzugsgebiete zu gewährleisten, wo vollständige, gemeinsame und einheitliche Informationen möglicherweise schwer zu erhalten sind.

Daten zu Lufttemperatur, Wasserdampf und Wolken werden seit Jahrzehnten operationell von polarumlaufenden Satelliten geliefert. Sie stammen aus den USA (NOAA-Serie), seit jüngerer Zeit aus Europa (EUMETSATs Metop-Serie) und auch aus China und Russland. Der Einsatz von hoch aufgelösten Infrarotsondierungen (IASI), von Radiookkultations-Verfahren und dem GPS-Signal (z.B. COSMIC/FORMOSAT-3 und GRAS auf Metop) haben zusätzlich die weltraumgestützten Datenbeiträge vermehrt.

Meeresoberflächentemperaturen (Sea Surface Temperature, SST) werden von den operationellen Wettersatelliten geliefert, ferner von den Missionen Aqua und Terra mit ihrem Sensor MODIS, auch ENVISAT trug bis zu seinem Ausfall 2012 dazu bei. Seit 2011 stellt auch NOAA’s Sensor VIIRS auf dem Satelliten Suomi NPP Daten zur Meeresoberflächentemperatur bereit. Die Kontinuität der Datenreihe wird durch die JPSS-Serie und schließlich durch das SLST-Radiometer auf der Sentinel-3-Serie gewährleistet.

Temperaturkarten der Wasseroberfläche helfen bei der Einschätzung des hydrodynamischen und biologischen Zustands, der Wettervorhersage, der Lokalisierung von Frontensystemen, der Beladung von Schiffen (Tiefgang abhängig von Dichte), der Suchdauer nach Schiffbrüchigen, der Erfassung langfristiger globaler Klimatrends und vielem mehr.

Jeder Körper emittiert Strahlung entsprechend seiner Temperatur. Die Meeresoberfläche emittiert im thermalen Infrarot- und im Mikrowellenbereich. Zur Bestimmung der Meeresoberflächentemperatur werden diese Emissionen von passiven hochauflösenden Radiometern gemessen. IR-Sensoren und Mikrowellenradiometer sind beide unabhängig von der Tageszeit einsetzbar. Während IR-Sensoren Wolken nicht durchdringen können, arbeiten Mikrowellenradiometer nahezu unabhängig von den Wetterverhältnissen (Ausnahme starker Regen). Höhere Flächenauflösungen werden jedoch von IR-Sensoren bzw. Multispektralscannern erzielt (früher z.B. AATSR auf ENVISAT).

Medspiration SST-Produkte

Medspiration ist ein von der ESA finanziertes Projekt, um aus der Kombination von verschiedenen unabhängigen SST-Missionen verlässliche SST-Datensätze zu erstellen. Ziel ist die Möglichkeit zur zeitnahen Einbindung der Daten in numerische Ozean-Vorhersagemodelle. Gleichzeitig soll ein optimales und aktuelles SST-Produkt für den allg. Gebrauch entstehen (s. Bsple. links).

Gegenüber den längst etablierten Wettervorsagemodellen haben die Ozeanmodelle noch deutlichen Nachholbedarf. Dies liegt nicht zuletzt an der Uneinheitlichkeit der Datensätze von unterschiedlichen Satellitensystemen mehrerer Weltraumagenturen. Keiner dieser Datensätze alleine genügt den Qualitätsanforderungen der Modelle.

Im Rahmen des Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE) strebt man die Bereitstellung von Echtzeit-nahen SST-Daten an, die den Tagesablauf widergeben, eine Genauigkeit von unter 0.2 K und eine räumliche Auflösung von unter 10 km besitzen. Dies ist nur möglich durch die Kombination der Leistungsfähigkeit von verschiedenen Sensortypen. Die Group on High Resolution SST (GHRSST) versucht nun, bestmögliche Ensemble-Produkte zu generieren. Dabei werden neben den Satellitendaten auch in situ-Messungen von Schiffen und Bojen mit verwertet als unabhängige und zuverlässige Referenzdaten (GHRSST Match-up Database).

Medspiration SST-Produkt ODYSSEA South Africa SST Analysis, daily, 0.02° resolution Quelle: Ifremer CERSAT

Niederschlag ist ein Schlüsselparameter innerhalb des Wasserkreislaufs. Geostationäre Wettersatelliten wie GOES, GMS und Meteosat lieferten Bilder im sichtbaren und infraroten Bereich, die bislang die beste Quelle von Satellitendaten waren. Es handelt sich um indirekte, aber mit großer Häufigkeit gewonnene Abschätzungen des Niederschlags, die von Temperaturmessungen der Wolkenoberflächen abgeleitet sind. Diese Daten werden im GEWEX Global Precipitation Climatology Project (GPCP) des WCRP verwendet, welches seit 1979 die mittleren monatlichen Niederschlagswerte bereitstellt, auch im International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) werden sie verwendet.

Wolken- und Niederschlagssysteme haben einen eher zufälligen Charakter und entwickeln sich sehr schnell, besonders im Bereich sommerlicher Konvektionszellen. Diese Faktoren machen eine Quantifizierung der Wolkenbildung und des Niederschlags schwierig.

Verlässliche bodengestützte Niederschlagsmessungen sind im großregionalen oder globalen Maßstab schwierig zu erhalten, da über 70 % der Erdoberfläche von Wasser bedeckt sind und viele Länder nicht über präzise Einrichtungen zur Niederschlagsmessung (Regenmessstationen und/oder Niederschlagsradar) verfügen. Der einzige praktikable Weg, großräumig und global Niederschlagswerte zu erhalten geht über weltraumgestützte Fernerkundungsinstrumente.

Der Start der Tropical Rainfall Mapping Mission (TRMM) von NASA/JAXA im Jahr 1997 bedeutete einen Durchbruch in der Bereitstellung von 3-D-Informationen über Struktur und Eigenschaften von Niederschlag. TRMM war der erste für Niederschlagsmessung konzipierte Satellit und ist gegenwärtig (2012) der einzige Satellit, der ein Wetterradar trägt. Er hat seither eine Fülle von Erkenntnissen über tropische Stürme, Hurrikane und kurzzeitige Klimaschwankungen wie ENSO geliefert. Die Kontinuität wird durch die für 2014 geplante Mission eines 'Kern'-Satelliten der NASA im Rahmen des Programms Global Precipitation Measurement (GPM) der NASA und weiterer Raumfahrtagenturen gewährleistet.

2011 wurde der Satellit Megha-Tropiques gestartet, der den Wasserkreislauf und die atmosphärischen Energieflüsse untersuchen soll, insbesondere in den Tropen. Seine Aufgaben werden ergänzt durch die Global Change Observation Water Mission Serien (GCOM-W) der JAXA. All diese Missionen wenden Mikrowellen-basierte Technologien an, entweder passive Fernerkundungssensoren oder Wetterradar.

Die im November 2009 gestartete Mission Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) ist die zweite Earth Explorer Opportunity Mission der ESA. SMOS liefert Messungen zu Bodenfeuchte und Ozeansalinität. Im Juni 20011 folgte der Satellit SAC-D/Aquarius (CONAE/NASA), der sich ebenfalls auf Messungen der Ozeansalinität fokusiert. Die Anfang 2015 gestartete NASA-Mission Soil Moisture Active Passive (SMAP) trägt Daten über die Feuchtigkeitsverteilung in den obersten 5 cm Schicht des Erdbodens bei. Auf Basis dieser Informationen sollen genauere Wettermodelle entwickelt und die Folgen des Klimawandels für die Versorgung mit Wasser auf der Erde besser eingeschätzt werden. Die auf SMAP befindliche Radareinheit ist inzwischen ausgefallen, sein Radiometer ist weiterhin aktiv.

Bodenfeuchte und Ozeansalinität sind wichtige Parameter, da sie wesentlich zum Verständnis der Energiebilanz zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre beitragen. Ihre erdweite Erhebung ist von großem Interesse für Klima- und Wetterforschung, insbesondere für die Verbesserung von Modellen und Vorhersagen. Bislang werden Oberflächensalzgehalte durch in situ-Messungen an Messstationen, Bojen und Floatern geliefert. Die Bestimmung erfolgt über die Leitfähigkeit oder durch Refraktometer.

Informationen zur Evapotranspiration werden von einer Reihe von Satellitendaten-gestützten Modellen abgeleitet, die den Austausch von Wasser und Energie zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre beschreiben. Dabei werden in die Modelle Daten von Sensoren eingegeben , die im sichtbaren und thermalen Bereich arbeiten. Lieferanten sind geostationäre Satelliten, Landsat sowie Aqua und Terra mit dem Modis-Sensor.

Ein neues Einsatzgebiet ergibt sich durch GRACE mit seinen Messungen zur Gravimetrie, die zur Quantifizierung von Grundwasser-Änderungen herangezogen werden. Nachfolgemissionen (GRACE Follow On und GRACE-II) sind in der Planung, da dieser Forschungsbereich vermutlich expandieren wird.

Radaraltimetrie wird zunehmend zur Messung des Wasserspiegels in Seen und Flüssen eingesetzt werden.

Das Komitee für Erdbeobachtungssatelliten CEOS trägt auch beim Anwendungsbereich der Gewässerfernerkundung nicht nur dazu bei, dass relevante Daten erhoben werden, sondern das Komitee unterstützt auch diverse Anwendergruppen bei der Anwendung der Daten und trägt so zum Capacity Building in Entwicklungsländern bei (AWCI - Asian Water Cycle Initiative, CIEHLYC - Water Cycle Capacity Building activity in Latin America and AfWCCI - African Water Cycle Coordination Initiative.

Marine Fernerkundung

Die Untersuchung der Meeres- und Küstenregionen ist seit jeher im Interesse der Menschheit. Etwa 50 % der Weltbevölkerung lebt in einem ca. 60 km breiten küstennahen Streifen und ist damit direkt durch Fischerei, Handelswege, ozeanische Gefahren etc. oder indirekt durch Klimaeinwirkung von den Ozeanen beeinflusst. Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts stützte sich die Ozeanographie ausschließlich auf in situ, d.h. direkt vor Ort und in Berührung mit dem zu untersuchenden Objekt gemessene Daten. Aufwändige Messfahrten lieferten einen kleinen Einblick in die topographischen, physikalischen, chemischen und biologischen Verhältnisse in den Weltmeeren.

Seit Mitte des letzten Jahrhunderts ist das Sammeln großer Datenmengen und ein großflächiges Monitoring der Ozeane möglich. In Luft- und Raumfahrt wurden Sensoren entwickelt, die keinen direkten Kontakt zum untersuchten Objekt mehr benötigen, sondern dieses berührungsfrei nach diversen Parametern "aus der Ferne erkunden".

Marine Fernerkundungsinstrumente können an der Küste oder auf Meeresplattformen, Schiffen, Hubschraubern, Flugzeugen oder Satelliten installiert sein. Zu den marinen Fernerkundungsmethoden zählt neben der Messung elektromagnetischer Strahlung auch die Vermessung des Ozeans mit akustischen Instrumenten, die sich im Wasser befinden und über Schallwellen arbeiten (Hydrophone; Ocean Acoustic Tomography).

Die Satellitenfernerkundung hat in den letzten Jahren in der Ozeanographie große Bedeutung erlangt, da sie großflächige, weltweite Messungen einer Vielzahl ozeanographischer Parameter ermöglicht. Neben der Bestimmung von Oberflächentemperatur, Salzgehalt, Eisbedeckung, Meeresspiegel und Wellenhöhe lassen sich über Messung der Oberflächenrauigkeit Erkenntnisse über Wind- und Strömungsverhältnisse erzielen. Und schließlich erlaubt die Ozeanfarbe Rückschlüsse auf Wasserinhaltsstoffe. Es gibt drei Gruppen von fernerkundbaren Wasserinhaltsstoffen:

• Phytoplankton mit seinem Chlorophyll: lebende Organismen
• Schwebstoffe: suspendierte anorganische Stoffe (Mineralien) und/oder totes organisches Material (Detritus)
• Gelbstoff: gelöste organische Substanzen (Fulvosäuren, Huminstoffe)

Arktisches Meereis-Minimum (2011) Das Bild links zeigt das arktische Meereis-Minimum im Jahr 2011 mit Hilfe des Instruments AMSR-E. Die Karte zeigt das Meereis-Minimum des Jahres 2011, welches am 8. September eintrat. Zum Vergleich sind die Meereis-Minima vom September 2007 und die durchschnittlichen Minima der Jahre 1979 bis 1983 als rote bzw. orangefarbene Linien eingetragen. 2011 galt die Ausdehnung dieses Jahres als zweitniedrigste in der 35-jährigen Satellitendaten-Zeitreihe. Die Ausdehnung des Meereises im Jahr 2011 ist nur ca. 0,1 Mio km² größer als 2007. Quelle: Universität Bremen

Die Eisbedeckung der Meere hat großen Einfluss auf das Reflexions-, Streuungs- und Emissionsverhalten elektromagnetischer Strahlung. Meereis emittiert signifikant mehr EM-Strahlung als der umgebende Ozean; die Helligkeitstemperatur ist in allen Frequenzen höher. Auch kann das Alter des Meereises aufgrund von Veränderungen der Oberflächenrauhigkeit und des Salzgehaltes, bedingt durch Tau- und Gefrierprozesse, in neues, einjähriges und mehrjähriges Eis eingeteilt werden. In mehrjährigem Eis sind mehr Luftblasen eingeschlossen, welche die Streuung erhöhen und das Signal stärker depolarisieren. Ebenfalls kann mit passiven Sensoren die Eisdicke bis etwa 100 cm geschätzt werden, und es können Aussagen über die prozentual von Eis bedeckte Fläche, z.B. bei Treibeis, getroffen werden. Schwierigkeiten bei der Eisbestimmung erfolgen, wenn sich Schmelzwasser auf dem Eis bildet oder eine Schneedecke auf dem Eis aufliegt.

Aufgrund der großen Unterschiede der Strahlungseigenschaften von Eis und Wasser kann die Eisbedeckung über viele Sensorentypen, von passiven VIS-Sensoren, Infrarot- und Mikrowellen-Radiometern und aktiven Radarsystemen, wie Scatterometern und SAR, detektiert werden. Häufig werden Messungen aus mehren Systemen kombiniert, um detaillierte Eiskarten zu erstellen.

So umfangreich wie Datenerfassung und -verarbeitung sind auch die Möglichkeiten der Nutzung: Von rein wissenschaftlicher Grundlagenforschung  über wirtschaftliche Nutzung (Fischerei, Aquakultur, Schifffahrt) bis zu sicherheitsrelevanten Problemstellungen (Ölerkennung und Driftprognosen, Eisüberwachung, Verkehrssicherheit, Wrackerkennung) wird eine breite Gemeinde an Interessengruppen bedient.

In den folgenden Aufnahmen dokumentiert ENVISAT mit unterschiedlichen Sensoren die Ölverschmutzung nach der Explosion der Ölplattform "Deepwater Horizon" am 22.04.2010. Die bei der Havarie entstandenen Oberflächenfilme sind dünne Schichten von Materie auf der Meeresoberfläche. Diese können natürlichen Ursprungs sein, beispielsweise durch Algenblüten produziertes organisches Material, oder künstlichen Ursprungs (Schifffahrt, Bohrungen). Ihr häufiges Auftreten und ihr ökologischer Einfluss rücken sie in den Mittelpunkt der Forschung.

Bei der Detektion maritimer Ölverschmutzungen kommt eine große Bandbreite an Fernerkundungssensoren zum Einsatz. Aufgrund der großen räumlichen Abdeckung, Licht- und Bewölkungsunabhängigkeit bilden meist SAR-Systeme die Grundlage maritimer Ölerkennung. Kapillarwellen werden durch Ölfilme abgedämpft und die Oberfläche geglättet. Die Rückstreuung von Radarstrahlen wird massiv verringert, so dass Ölfilme im Radarbild als dunkle Flecken erscheinen. Bei geignetem Sonnenstand können auch optische Sensoren Aufschluss über Ölverschmutzungen geben.

Oberflächenfilme - Öldetektion I Dieses ENVISAT-Radarbild erfasst das Öl, das in den Golf von Mexiko austritt. Der Ölaustritt ist als verquirlte dunkelgraue Fläche rechts unten erkennbar. Envisat nahm dieses Bild mit seinem Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) am 26. April um 15:58 UTC auf. Quelle: ESA

Oberflächenfilme - Öldetektion II Optisches Envisat-Bild des Ölaustritts im Golf von Mexiko, erkennbar als weiße verquirlte Fläche rechts. Das Bild wurde vom Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) am 25. April 2010 um 16:28 UTC aufgenommen. Quelle: ESA

Die Genauigkeit von Satellitenmessungen reicht noch nicht an die von in situ-Messungen heran, doch die Verfügbarkeit von kontinuierlich und erdumspannend messenden Systemen wiegt diesen Nachteil auf. Steckt beispielsweise die Bestimmung des Oberflächensalzgehaltes mittels Fernerkundung noch in den Kinderschuhen, so wird sie bei der Bestimmung von ozeanischer Oberflächentemperatur, Topographie, Wellenhöhe und Wasserinhaltstoffe etc. breit angewandt. Für die Bestimmung der Eisbedeckung und für die Detektion von Oberflächenfilmen (z.B. Öl) ist die Fernerkundung nahezu unersetzlich.

Das folgende Schema gibt einen Überblick zu verschiedenen Methoden der marinen Fernerkundung. Es lassen sich über Fernerkundung im marinen Bereich vier Grundgrößen bestimmen: Färbung der Ozeane, Temperatur, Rauhigkeit und Höhe. Die Färbung ist bis wenige Meter Tiefe messbar, die drei anderen Parameter werden nur an der Oberfläche selbst definiert. Obwohl die Möglichkeiten der Fernerkundung dadurch beschränkt erscheinen, haben viele Phänomene in tieferen Schichten des Ozeans Auswirkungen auf diese Parameter und hinterlassen eine erkennbare Oberflächensignatur.

Fernerkundungssensoren sind spezifisch auf einen kleinen Aspekt der Informationsgewinnung beschränkt. Die Güte und Bandbreite der Informationen, die aus Fernerkundungsdaten gezogen werden können, sind direkt abhängig von der Genauigkeit und Charakteristik der Messinstrumente. Zur Datenanalyse und Interpretation werden ferner Kenntnisse über den Weg des Informationsflusses benötigt: Prozesse in den oberen Ozeanschichten, Interaktion EM-Wellen mit dem Ozean, Atmosphären- und Sensorenphysik.

Verschiedene Methoden für die marine Fernerkundung Quelle: DeMarine

In Deutschland befasst sich neben privaten Firmen, wie z.B. Brockmann Consult insbesondere die Organisationseinheit Gewässerfernerkundung des DLR-Instituts für Methodik der Fernerkundung mit der Gewässerfernerkundung. Dabei ist sie im Rahmen ihrer wissenschaftlichen Arbeiten und durch Forschungs- und Anwendungsprojekte mit einer Vielzahl von Partnern, darunter wissenschaftlichen Einrichtungen, wie auch Anwenderinstitutionen, vernetzt.

Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung, Implementierung und Validierung von Modellen und Algorithmen zur Auswertung satellitengestützter, optischer Sensoren (StO Berlin) wie auch Radar-Sensoren (StO Oberpfaffenhofen). Das Ziel der Arbeiten ist die Ableitung biologischer, ökologischer und meteo-mariner Parameter zur Überwachung biologischer und ökologischer Zustandsgrößen von Küsten- und Binnengewässern und deren Veränderung. Diese dienen zur Wind-, Seegangs- und Eiskartierung sowie zur Verbesserung von Vorhersagemodellen für Küsten- und Gewässermanagement. Die Fernerkundung der Binnengewässer spielt beim DLR gegenwärtig eine marginale Rolle.

Als Datenquellen werden verschiedene spektral hochaufgelöste und hyperspektrale optische Sensoren und Synthetik-Apertur-Radar auf nationalen und internationalen Fernerkundungssatelliten genutzt. Gegenwärtige Schwerpunkte sind die Nutzung von TerraSAR-X (D) und TanDEM-X sowie die Vorbereitung der neuen Mission EnMAP.

Die Arbeiten dienen im Wesentlichen der Erschließung neuer Anwendungsbereiche für Fernerkundungsdaten und prä-operationellen Entwicklungen im Umfeld des europäischen Copernicus-Programms. Diese Entwicklungen werden gemeinsam mit dem DFD in operationelle Near-Real-Time Produktketten umgesetzt (nahe-Echtzeit, NRT). Dafür ist die Abteilung in mehreren nationalen und internationalen Copernicus-Projekten engagiert. Die wissenschaftlich-methodischen Ergebnisse fließen in problemangepasste Konzepten für neue Erdbeobachtungsinstrumente und -missionen ein.

SAR-Ozeanographie:

Radar ist ein aktives Instrument, ein Allwetterauge. Die vom Satelliten ausgestrahlten Radarstrahlen beleuchten die Erde unabhängig vom Sonnenlicht, durchdringen Wolken und zeigen durch spezielle Empfangs- und Prozessierungsverfahren der rückgestreuten Strahlung besonders hoch aufgelöste Bilder der rauen Oberfläche des Meeres. Die Gruppe Radarozeanographie am DLR entwickelt Algorithmen, um Windfelder, Seegangsparameter, Meereisbedeckung zu bestimmen und um Schiffsunfälle zu untersuchen und Ölverschmutzung zu verfolgen. Die Ergebnisse werden in Experimenten und Schiffsexpeditionen z.B. mit der Polarstern überprüft.

Die gewonnenen Informationen ergeben ein maritimes Lagebild, das der Sicherheit auf den Meeren zugutekommt (Maritime Sicherheit). So lassen sich beispielsweise in polaren Gewässern, in denen Seewege durch treibende Eisschollen binnen Stunden unpassierbar werden können, mithilfe des Lagebildes Schiffsrouten anpassen und dadurch Unglücke vermeiden. Hilfsmaßnahmen bei Havarien werden durch aktuelle Satellitenaufnahmen unterstützt. Die Bereitstellung genauer Wind- und Seegangsinformationen hilft bei der Planung, dem Bau und der Instandhaltung von Offshore-Windparks zum Beispiel in der Nordsee und dient darüber hinaus der Verbesserung von Wettermodellen und Vorhersagen. Durch die Detektion von Schiffen und Ölteppichen lassen sich illegales Verklappen von Öl und unerlaubte Fischerei nachweisen.

Um möglichst aktuelle Lagebilder bereitzustellen werden Radarsatelliten unterschiedlicher Missionen wie TerraSAR-X, Sentinel-1 oder RADARSAT-2 kombiniert, aber auch Schiffsmeldungen und In-Situ Daten eingebracht und in Nahe-Echtzeit verarbeitet.

Optische Gewässerfernerkundung:

Im sichtbaren Spektralbereich der Sonnenstrahlung (~ 400 - 700 nm) kann das Licht in den Wasserkörper eindringen, seine Farbe kann durch Streu- und Absorptionsprozesse im Wasserkörper oder am Gewässerboden verändert werden. Aus diesem Grund können aus optischen Fernerkundungsdaten Aussagen über die Eigenschaften des Wasserkörpers, genauer Art und Konzentration verschiedener Wasserinhaltsstoffe, bzw. Eigenschaften des Untergrundes abgeleitet werden. Dazu müssen feine "Farb"-Nuancen festgestellt und quantifiziert werden. Dies geschieht durch Vermessung der Strahlung in hinreichend vielen, schmalen Spektralkanälen mittels Spektrometern. Während an Bord von Schiffen oder im Wasser selbst nicht abbildende Sensoren zum Einsatz kommen, werden auf Flugzeugen und Satelliten sogenannte abbildende Spektrometer eingesetzt, die für jeden Spektralkanal auch ein Bild über eine räumliche Abbildung liefern. Die Fernerkundung ist hierbei die einzige Technologie um die hohe räumliche und zeitliche Dynamik von Gewässern beobachten zu können. Eine hinreichend dichte und gleichzeitig flächendeckende Beobachtung mittels Bojen oder Schiffen ist praktisch nicht realisierbar.

Das gemessene Spektrum, also die Größe der Strahlung in den verschiedenen Kanälen, wird durch Streu- und Absorptionsprozesse der Wassermoleküle und verschiedene Wasserinhaltsstoffe bestimmt. Je nach Art und Konzentration dieser Stoffe verändert sich das Spektrum. Die Hauptgruppen fernerkundbarer Wasserinhaltsstoffe sind Phytoplankton (an Hand verschiedener Pigmente), organischer und anorganischer Schwebstoff sowie gelöste organische Substanzen. Der Zusammenhang zwischen Inhaltsstoffkonzentration und Farbcharakteristik erschließt sich über bio-optische Modelle, die auch die für verschiedene Spezies, die jeweilige Saison und das Gewässer selbst spezifische Eigenschaften beinhalten können.

Da sich der Satellitensensor oberhalb der Erdatmosphäre befindet, muß für diese Simulationen auch der Einfluss der Atmosphäre berücksichtigt werden. Dies geschieht durch die Nutzung von Strahlungstransportmodellen. Mit diesen Modellen lassen sich die erwarteten Messdaten je nach Situation oder Beobachtungsgeometrie simulieren und können zur Entwicklung und Optimierung von Fernerkundungsalgorithmen genutzt werden.

Die folgende Grafik enthält Darstellungen von aus MERIS-Daten abgeleitete Konzentrationen von Chlorophyll (l.o.), Schwebstoff (r.o.), Gelbstoff (l.u.) und daraus resultierende Sichttiefe in der Ostsee, 1. Juli-Dekade 2008.

Optische Gewässerfernerkundung Quelle: DLR

Das Binnengewässerprojekt SAMOSEE-BW

SAMOSEE-BW ist Teil der Digitalisierungsstrategie des Landes Baden-Württemberg. Dabei nutzt das LUBW Daten der Erdbeobachtungssatelliten der ESA und der NASA. Diese haben mit ihren Messsensoren die gesamte Landoberfläche und damit auch die Seen im Blick. Mit diesen Möglichkeiten der Fernerkundung sind neue effektivere Monitoringkonzepte für die Seen Baden-Württembergs möglich. Mit dem Projekt werden Satellitendaten für die routinemäßige Bewertung von Stehgewässern nutzbar gemacht. Bis aus den Rohdaten aber anschauliche Grafiken, Tabellen und Abbildungen werden, ist es ein weiter Weg. Mithilfe von speziellen Computerprogrammen und Arbeitsroutinen werden störende Einflüsse der Atmosphäre, Wolkenbildung oder Sonnenreflexion gefiltert und korrigiert. Die klassischen Messungen und Wasserprobenentnahmen werden jedoch auch in Zukunft trotz aller Technik weiterhin unerlässlich sein, um die Qualität der Seen im Blick zu behalten.

Ein Anzeiger für die Gewässergüte ist unter anderem der Blattfarbstoff Chlorophyll-a. Dieser kommt neben Pflanzen auch im Phytoplankton von Seen vor, wo er für die Photosynthese zuständig ist. Aufgrund seiner Grünfärbung lässt er sich auch aus dem All mit Hilfe von Satelliten erfassen. Zur Erfassung nehmen die Satelliten mit ihren an Bord befindlichen Multispektralsensoren die Farbe eines Gewässers sehr genau auf. Diese Multispektralsensoren messen die Intensität des vom Gewässer zurückgestrahlten Lichtes für verschiedene Wellenlängen. Durch die Absorption von Chlorophyll-a erscheint das Wasser in einem See grün, wenn es sehr viele Algen beziehungsweise sehr viel Phytoplankton gibt. Anhand dieser Grünfärbung kann man die Konzentration von Chlorophyll-a im Wasser ermitteln.

Bei den größeren Seen wie dem Bodensee wird durch die häufige Überfliegung eine zeitlich engere Analyse des Gewässerzustandes möglich. Die höhere räumliche Auflösung der Satellitenbilder erlaubt es den Fachleuten zudem, die Entwicklung in mehr Seeteilen und Buchten im Detail zu verfolgen als dies bei der regelmäßigen Analyse von Wasserproben möglich ist. Wasserproben können wegen des hohen Aufwandes nur an wenigen Stellen im See genommen werden. Gerade im Hinblick auf die Entwicklung potenziell gefährlicher Blaualgenblüten – angezeigt durch den sogenannten HAB-Indikator (Harmful Algal Bloom, gefährliche Algenblüte) – können die Daten aus dem All wichtige Informationen für die Sicherheit des betreffenden Gewässers als Badesee geben.

Fernerkundungsdaten erlauben Rückschlüsse auf Umweltveränderungen von Gewässern. Die Aktualität der Daten ermöglicht es den Verantwortlichen zudem, schnell zu handeln, zum Beispiel wenn aufgrund von Blaualgenblüten ein Badeverbot erforderlich ist. Das Projekt erleichtert das flächendeckende Monitoring der Seen in Baden-Württemberg und trägt damit nicht zuletzt zu einem tieferen Verständnis der ökologischen Zusammenhänge des Lebensraums Wasser bei.

Weitere Informationen:

• Optische Gewässerfernerkundung (DLR)
• DeMarine
• Oceanography from Space (Ifremer CERSAT)
• U.S. Drought Portal (NIDIS)
• Dartmouth Flood Observatory
• NOAA NWS River Forecast Centers
• Groundwater Resources of the World (UNESCO / BGR)
• Global Hydrology Resource Center (GHRC, NASA)
• The Tiger Initiative - Looking for Water in Africa (ESA 2012)
• Earth Observation for Water Resources Management (World Bank 2016)
• Toward a definition of Essential Mountain Climate Variables (Thornton, J.M. et al. 2021)
• Atmospheric Temperature and Humidity Sounders (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Cloud Profile and Rain Radars (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Radar Altimeters (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Scatterometers (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Ocean Colour Instruments (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Lightning Instruments (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Zeitgemäße Erfassung und Bereitstellung von Geobasisdaten für die WSV ('Beiträge zu Digitale Geländemodelle von Wasserläufen', 'LIDAR', 'Kamerarsysteme'; BfG)
• SAMOSEE-BW: Fernerkundung von Seen – unsere Augen im All (LUBW 2022)

GEWEX

Engl. Akronym für Global Energy and Water Cycle Experiment; Programm innerhalb des WCRP zur Beobachtung und Modellierung des Wasserkreislaufes und der Energieflüsse in der Atmosphäre, auf der Landoberfläche und in den oberen Ozeanschichten. GEWEX nutzt in starkem Maße die Informationen von aktuellen, wie auch künftigen Umweltsatelliten (u.a. Terra, Aqua, TRMM, ADEOS I und II).

Weitere Informationen:

• GEWEX - Startseite (WCRP)

Gezeiten

Differentielle Veränderung des Gravitationsfeldes an einem ausgedehnten Himmelskörper wie der Erde - zu beobachten mittels einer Probemasse - durch eine 'dritte Masse'. So sind die Flieh- und Anziehungskräfte der sich gegenseitig umlaufenden Erde, Sonne, Mond insgesamt im Gleichgewicht, variieren jedoch über die Erde und wegen des Umlaufes auch mit der Zeit (Lunisolargezeiten); dabei treten etwa halbtägige und ganztägige Gezeitenwirkungen hervor. Eine quantitative Beschreibung bedient sich insbesondere des Gezeitenpotentials und der spezifischen Gezeitenkräfte in Schwereeinheiten. Der Mond hat zwar eine kleinere Masse als die Sonne, dafür ist sein Abstand zur Erde geringer. Ihre jeweilige mittlere Wirkung auf das Gezeitenpotential auf der Erde wird in den Doodson-Konstanten erfasst, diese ist für den Mond gut doppelt so groß wie für die Sonne. Die Wirkung der Planeten ist demgegenüber um mehrere Größenordnungen kleiner.

Die Gezeitenwirkung kann man direkt aus der Position der Himmelskörper relativ zum Ort auf der Erde zu einem Zeitpunkt berechnen, meist benutzt man jedoch Kugelfunktionsentwicklungen in Gezeitenmodellen. Als Erdgezeiten bezeichnet man die Systemantwort der deformierbaren Erde auf das gezeitenerzeugende Potential, die Meeresgezeiten des freien Ozeans werden sehr stark durch Küsten, Meeresbodengestalt, Strömungen, Winde und Luftdruck beeinflußt. Über die gravitative Kopplung von Mond und Erde bzw. die Drehimpulserhaltung im Erde-Mond-System, verbunden mit der irdischen Gezeitenreibung wird die Rotation der Erde verlangsamt mit der Folge wachsender Tageslänge.

GFMC

Siehe Global Fire Monitoring Center

GFZ-1

Niedrigfliegender passiver Kleinsatellit des GeoForschungszentrums Potsdam zur Erfassung des Erdschwerefeldes. GFZ-1 wurde 1995 von der russischen MIR-Station in seine 400 km hohe Umlaufbahn gebracht. In diesem niedrigen Orbit reagierte seine Flugbahn sehr empfindlich auf Änderungen der Anziehungskraft. Seine Positionsbestimmung erfolgte mit dem hochempfindlichen SLR. Nach 24.000 Erdumrundungen verglühte er 1999 in der oberen Atmosphäre.

GHGSat

GHGSat ist ein kommerzielles Unternehmen von GHGSat Inc. aus Montreal, Kanada, einer Tochtergesellschaft der Xiphos Systems Corporation. GHGSat hat sich zum Ziel gesetzt, mit Hilfe von Satellitentechnologie zur weltweiten Referenz für die Fernerkundung von Treibhausgas- und Luftqualitätsgasemissionen von Industriestandorten zu werden. GHGSat wird Produkte (kommerzielle Satellitenbilder) und Mehrwertdienste zur Emissionsüberwachung auf der Grundlage seiner Satellitendaten anbieten. Die Mission wird von Sustainable Development Technology Canada, The Boeing Company und einer Reihe von Kunden und Anbietern finanziert.

Kein anderer kommerzieller oder staatlicher Satellit ist bislang (Mitte 2022) speziell für die Erkennung und Quantifizierung von Treibhausgasemissionen aus so kleinen Punktquellen wie einzelnen Öl- und Gasbohrungen konzipiert. Die GHGSat-Konstellation besteht derzeit aus drei Satelliten: GHGSat-D (Claire), gestartet im Juni 2016, GHGSat-C1 (Iris), gestartet im September 2020, und GHGSat-C2 (Hugo), gestartet im Januar 2021.

Jeder Satellit ist mit einem bildgebenden Weitwinkel-Fabry-Perot-Spektrometer (WAF-P) ausgestattet, das zur Messung der vertikalen Säulenhäufigkeiten von Treibhausgasen dient. GHGSat-D ist in der Lage, sowohl Methan als auch Kohlendioxid zu messen, während GHGSat-C1 und GHGSat-C2 für Methan optimiert sind. Die Aufträge für die nächsten drei Satelliten und Nutzlasten (GHGSat-C3 bis -C5) wurden bereits vergeben.

Die drei Nanosatelliten GHGSat-C3, -C4 und -C5 wurden auf der Transporter-5-Mission von SpaceX am 25. Mai 2022 gestartet. Mit diesem Start haben sich GHGSat-C3 ("Luca"), C4 ("Penny") und C5 ("Diako") - liebevoll benannt nach den Kindern von GHGSat-Teammitgliedern - erfolgreich zu den ersten drei Satelliten des Unternehmens in der Umlaufbahn gesellt und damit die Größe einer einzigartigen Konstellation verdoppelt, die seit 2016 genaue Daten zu Methanemissionen für Kunden aus Industrie, Behörden und Finanzdienstleistungen liefert.

Die drei Satelliten mit einem Gewicht von jeweils 15 Kilogramm werden vom Space Flight Laboratory (SFL) der Universität Toronto gebaut, wobei die Nutzlast für die Gasdetektion von ABB bereitgestellt wird. Ziel ist es, bis 2023 eine Konstellation von 10 Satelliten in der Umlaufbahn zu haben.

Diese Mission wird als ESA-Third-Party-Mission (TPM) betrachtet, die noch einer Bewertung unterzogen wird. Die Bewertung wird sich mit Kalibrierungs-/Validierungsaktivitäten befassen und die Produktspezifikationen beurteilen. Diese Analyse wird im Rahmen des Earthnet Data Assessment Pilot (EDAP) durchgeführt. Die Bewertung wird es auch interessierten Nutzern ermöglichen, die Eignung der Daten für wissenschaftliche und F&E-Aktivitäten zu untersuchen.

Weitere Informationen:

• About GHGSat (ESA)
• GHGSat-D (Greenhouse Gas Satellite - Demonstrator) microsatellite mission / Claire (eoPortal Directory)
• Space Flight Laboratory (SFL) and GHGSat Announce Successful Testing of Three New Greenhouse Gas Monitoring Satellites (SFL)
• ESA facilitates access to greenhouse gas data (ESA)

GIEWS

Engl. Akronym für Global Information and Early Warning System on Food and Agriculture; ein von der FAO eingerichtetes und unterhaltenes Informations- und Frühwarnsystem zur dauerhaften Überwachung der weltweiten Nachfrage- und Angebotssituation für Nahrungsmittel. Mit Hilfe verschiedener aktueller und frei zugänglicher Publikationen werden Informationen für ggf. nötige Hilfsmaßnahmen verfügbar gemacht.

GIEWS überwacht weltweit den Zustand der wichtigsten Nahrungspflanzen, um die Ernteaussichten einzuschätzen. Zur Unterstützung und Ergänzung der bodengestützten Informationen setzt GIEWS Fernerkundungsdaten ein, die wertvolle Informationen zur Wasserverfügbarkeit und zur Vegetationsgesundheit während der Wachstumszeit liefern. Neben der Nutzung von Niederschlagsschätzungen und des Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) haben GIEWS und die FAO NRC Division den Agricultural Stress Index (ASI) entwickelt, ein Quicklook-Indikator zur frühzeitigen Erkennung von Agrargebieten, die mit gewisser Wahrscheinlichkeit von Trockenperioden oder im Extremfall von Dürren betroffen sein können.

Weitere Informationen:

• GIEWS - Startseite (FAO)
• Earth Observation (FAO)

Giotto

Erste, 1985 mit einer Ariane-Rakete gestartete Raumsonde der ESA für den tieferen Raum. Sie vollzog Vorbeiflüge an den Kometen Halley (1986) und Grigg-Skjellerup (1992) in 596 km bzw. in 200 km Entfernung und machte die ersten Nahaufnahmen eines Kometenkerns (Halley). Andere Experimente maßen das Magnetfeld, die Zusammensetzung und die Konzentration von Gasen und Staub.

Weitere Informationen:

• GIOTTO - Startseite (ESA)
• GIOTTO - Startseite (NASA GSFC)

GISTDA

Engl. Akronym für Geo-Informatics and Space Technology Development Agency; thailändische Weltraumagentur.

Weitere Informationen:

• GISTDA - Startseite
• Agency Summary - GISTDA (CEOS EO Handbook 2024)

GLAS

Engl. Akronym für Geoscience Laser Altimeter System; Hauptinstrument auf NASAs seit 2009 inaktiven und 2010 abgestürzten Satelliten ICESat. Seine Aufgabe war die Vermessung der Landtopographie, somit auch der Eis/Schneeoberflächen, sowie die Ermittlung von Wolkenoberflächen und von Aerosolwolkenhöhen.

Dazu musste das Instrument die Zeit genau messen, die ein kurzer Laserlichtpuls benötigt, um zum reflektierenden Objekt zu gelangen und zum Satelliten zurückzukehren.

Obwohl Vermessungsingenieure routinemäßig Laserverfahren einsetzen, bestand die Herausforderung für den ICESat darin, die Messungen 40 Mal pro Sekunde von einer Plattform aus durchzuführen, die sich mit 26.000 km pro Stunde bewegte. Darüber hinaus befand sich ICESat 600 km über der Erde, und gleichzeitig mussten die genauen Positionen des Satelliten im Weltraum und des Laserstrahls auf der darunter liegenden Oberfläche bestimmt werden. Das GLAS-Instrument auf ICESat musste genau messen, wie lange es dauert, bis die Photonen eines Lasers die Atmosphäre durchqueren, von der Oberfläche oder den Wolken reflektiert wurden, durch die Atmosphäre zurückkehren, sich im GLAS-Teleskop sammeln und Photonendetektoren auslösten.

Nach der Halbierung der Gesamtlaufzeit und der Anwendung von Korrekturen für die Lichtgeschwindigkeit durch die Atmosphäre wurde die Entfernung vom ICESat zum Laser-Fußabdruck auf der Erdoberfläche bekannt. Beim Abfeuern von jedem Puls, sammelte ICESat Daten, um mit Hilfe von GPS-Empfängern (Global Positioning System) zu berechnen, wo genau er sich im Weltraum befand. Der Winkel, in dem der Laserstrahl relativ zu den Sternen und zum Erdmittelpunkt zeigt, wurde mit einem in GLAS integrierten Sternensensor (star tracker) genau gemessen. Die Daten über die Entfernung zum Laser-Fußabdruck auf der Oberfläche, die Position des Satelliten im Weltraum und die Ausrichtung des Lasers werden kombiniert, um die Höhe und die Position jedes gemessenen Punktes auf der Erde zu berechnen.

Weitere Informationen:

• Imaging Laser Altimetry (GeoLas Consulting)
• GLAS - Startseite (NASA GSFC)
• IceSat - Startseite (NASA GSFC)

Gletschermonitoring

Der Begriff bezeichnet die (Langzeit-)Beobachtung von Gletschern, insbesondere ihrer Veränderungen (Dynamik) hinsichtlich der Parameter Länge, Fläche, Volumen und Masse mit Hilfe direkter (Feldmessungen) und indirekter Methoden (Fernerkundung).

Aus zunächst staatlichen oder regionalen Initiativen zum Gletschermonitoring besonders in der Schweiz und Österreich entwickelten sich im 20. Jahrhundert globale Programme. Vor allem die großen Bergsteigerverbände, der Schweizer Alpenclub, sowie der Österreichische und Deutsche Alpenverein haben sich um diese Aufgabe große Verdienste erworben. Staatliche Einrichtungen und geowissenschaftliche Institute komplettieren heute die Beobachtungsnetzwerke.

Bezüglich der Längenmessungen werden beispielsweise von über 900 österreichischen Gletschern vom Österreichischen Alpenverein auch heute noch an rd. 100 Gletschern jährlich die Längenmessungen koordiniert und ausgewertet. Die Methode ist einfach und erfordert keine aufwändigen Instrumente. Von Marken im festen Gelände wird in jedem Sommer die Entfernung zum Eisrand in einer bestimmten Richtung mit dem Maßband festgestellt.

Weltweit verlieren die meisten Gletscher an Masse und schmelzen zurück, deutlich sichtbar für Wissenschaftler und Laien. Durch Änderungen ihres Massenhaushaltes im Zeitrahmen von wenigen Jahren bis zu einigen Dekaden sind Gletscher gute Indikatoren für Klimaveränderungen. Sie sind daher ein wichtiger Forschungsgegenstand der Klimaforschung. Um jedoch globale Aussagen treffen zu können, ist eine genaue Kenntnis aller Gletscher der Erde sowie ihrer wichtigsten Kenngrößen dringend gefordert. Eine vollständige Inventarisierung der Landeismassen und eine systematische Beobachtung des Gletscherverhaltens hat bislang jedoch nur in einigen Teilen der Welt (Europa, Nordamerika und Grönland) stattgefunden.

Im Laufe ihres Zerfalls teilen sich die Gletscher oftmals in mehrere Teile (abhängig von der Topographie) und sind dann kaum noch erkennbar, vor allem wenn die Eisreste von Schuttmassen bedeckt sind. In den letzten Jahren mussten die Messungen an einigen Gletschern eingestellt werden, weil die Gletscher zu klein geworden sind, für eine Begehung zu gefährlich geworden sind, sich in unerreichbare Höhen zurückgezogen haben oder schlussendlich ganz verschwunden sind. So zum Beispiel am Lewis-Gletscher in Kenia, am Chacaltaya-Gletscher in Bolivien oder am Weissbrunnferner in Italien. Mit dem Ende der Messungen müssen langjährige Reihen, teilweise sogar für sogenannte Referenzgletscher mit mehr als 30 Jahren kontinuierlichen Massenbilanzmessungen, eingestellt werden und es gehen wichtige Indikatoren für den Klimawandel verloren.

Der auffallende Gletscherrückgang hat der Erforschung der raschen Veränderungen in den Hochgebirgen neuerlich sehr viel Beachtung verschafft. Dabei ist nicht nur ihre Bedeutung für die lokale und regionale Hydrologie (Wasserkraft, Abfluss, Speicher) ins Zentrum der Forschung gerückt, sondern auch ihr vergleichsweise großer Beitrag (etwa 25-30 %) zum Anstieg des globalen Meeresspiegels (z.B. Zemp et al. 2019). Auch ihre Bedeutung für den Tourismus (Erholung, Skigebiete), das kulturelle Erbe und als Auslöser von Naturgefahren (Destabilisierung von seitlichen Moränen- und Felsflanken, Ausbrüche von Gletscherseen hat ihre Erforschung in den letzten Jahren intensiviert.

Die weltweite Sammlung von Informationen über Gletscheränderungen wurde 1894 mit der Gründung der Commission Internationale des Glaciers beim 6. Internationalen Geologie-Kongress in Zürich begonnen.

Heute setzt der World Glacier Monitoring Service (WGMS) die Sammlung und Veröffentlichung von standartisierten Informationen über die globale Verbreitung von Gletschern und Eiskappen sowie deren Veränderungen fort. Der WGMS ist ein Dienst der International Association of the Cryospheric Sciences innerhalb der International Union of Geodesy and Geophysics (IACS, IUGG) und der Federation of Astronomical and Geophysical Data Analysis Services des International Council for Science (FAGS, ICSU). Er unterhält ein Netz von lokalen Beobachtern und nationalen Korrespondenten in allen Ländern, die sich mit Gletschermonitoring befassen.

In Zusammenarbeit mit dem US National Snow and Ice Data Center (NSIDC) in Boulder und der Initiative Global Land Ice Measurements from Space (GLIMS) ist der WGMS verantwortlich für das Global Terrestrial Network for Glaciers (GTN-G) innerhalb des Global Climate/Terrestrial Observing System (GCOS/GTOS).

Ein erster Versuch ein weltweites Gletscherinventar zusammenzustellen begann in den siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts vor allem auf der Basis von Luftaufnahmen und Karten. Bis heute erwuchs daraus ein detailliertes Inventar von mehr als 100.000 Gletschern mit einer Gesamtfläche von ca. 240.000 km². Die nicht erfasste Fläche wird auf ca. 445.000 km² geschätzt. Heute wird die Inventurarbeit vornehmlich mit Hilfe von Satellitenbildern fortgesetzt.

Beispiel: Bedeutender Kalbungsvorgang am Jakobshavn-Gletscher am 6. / 7. 2010

NASA-finanzierte Forscher, die den grönländischen Jakobshavn Isbrae Gletscher überwachen, berichten, dass ein 7 km² großes Stück des Gletschers am 6. und 7. Juli 2010 weggebrochen ist, was die Kalbungsfront um nahezu 1,5 km zurückweichen ließ. Das Eisstück besitzt etwa ein Achtel der Fläche von Manhattan, N.Y.

Forschergruppen, die von Ian Howat vom Byrd Polar Research Center an der Ohio State University und von Paul Morin, dem Direktor des Antarctic Geospatial Information Center an der University of Minnesota geleitet werden, analysieren seit einiger Zeit Satellitenbilder bezüglich Änderungen des Eisschildes Grönlands und seiner Auslassgletscher. Zwar ist der dokumentierte Abbruch nicht ungewöhnlich, aber dass er innerhalb von Stunden mit so großer Präzision aufgespürt wurde, ist für Wissenschaftler ein neues Phänomen.

Jakobshavn Isbrae liegt an der Westküste Grönlands auf 69° N. Er hat sich über die vergangenen 160 Jahre mehr als 45 km zurückgezogen, 10 km alleine in der letzten Dekade. Beim Zurückweichen zerbrach er in einen nördlichen und einen südlichen Zweig.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass ca. 10 % des gesamten grönländischen Eisverlustes über den Jakobshavn erfolgt, von dem man auch annimmt, dass er den größten Einzelbeitrag zum Meeresspiegelanstieg in der nördlichen Hemisphäre leistet. Im Übrigen sorgen sich die Wissenschaftler mehr um die Verluste des südlichen Zweiges des Jakobshavn-Gletschers, da die Topographie hier flacher und tiefer ist als beim nördlichen Zweig.

Die Forscher stützten sich auf Bildmaterial von mehreren Satelliten wie Landsat, Terra und Aqua um eine umfassende Vorstellung von den Veränderungen der Eismassen an beiden Polen zu erhalten. Dann erhielt die Arbeitsgruppe in den Tagen vor dem Abbruch Bilder des Satelliten WorldView 2, die große Risse und Eisspalten zeigten.

Bedeutender Kalbungsvorgang am Jakobshavn-Gletscher am 6. / 7. 2010 Siehe auch: Retreat of Jakobshavn Glacier, Greenland (NASA 2014) Jakobshavn Glacier Calving Front Recession from 1851 to 2009 (NASA ) Quelle: NASA / DigitalGlobe

Das Hauptinteresse im Gletscher-Monitoring liegt dabei nicht nur auf der räumlichen Ausdehnung eines Gletschers, sondern auch auf dessen Topographie. Ein Schwerpunkt der Gletscher-Fernerkundung ist daher die Erstellung eines digitalen Modells der Gletscheroberfläche. Digitale Geländemodelle können aus diversen Daten abgeleitet werden, wie z.B. terrestrischen oder Luftaufnahmen, digitalen Kameradaten, Laserscannerdaten (terrestrisch oder flugzeuggetragen), Flugzeug- und Satellitenradardaten sowie hochauflösenden optischen Satellitendaten.

Das GLIMS-Programm ist dazu ausgelegt, die Gletscher der Erde vorrangig mit Hilfe der Daten von optischen Satelliteninstrumenten zu beobachten, wie z.B. dem Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER, Japan/USA), einem Instrument, das an Bord des NASA-SatellitenTerra eingesetzt ist. Die Datensätze von WGMS und GLIMS werden ergänzt durch Erhebungen des GlobGlacier-Projektes und des Internationalen Polarjahres.

Die synergistische Nutzung der ASTER-Daten in Kombination mit aktuellen und historischen Datensätzen anderer Fernerkundungssensoren (Landsat, SPOT; ERS-1/2; RADARSAT etc.), Luftbildern, topographischen Karten, digitalen Geländemodellen und Geländeinformationen ermöglicht die Ableitung zusätzlicher Parameter sowie die Erstellung mehrjähriger Datenreihen. Die Projektergebnisse werden als Grundlage für ein zukünftiges Gletschermonitoring und statistische Auswertungen dienen und über eine Datenbank beim „National Snow and Ice Data Center“ (NSIDC) in Boulder, Colorado, öffentlich zugänglich gemacht. Die Daten finden Eingang in Geographische Informationssysteme (GIS).

Der ASTER-Sensor misst im sichtbaren Bereich in zwei Bändern (grün und rot), mit einem Band im nahen Infrarot, sechs Bändern im kurzwelligen Infrarot und mit fünf Bändern im thermischen Infrarot. Die wichtigsten Bänder für glaziologische Anwendungen sind die im sichtbaren Bereich, im nahen und im kurzwelligen Infrarot. Sie ermöglichen die automatisierte Kartierung von Eis- und Schneeflächen. Diese Technologie nutzt die große Differenz der Eis- und Schneereflektivität, die zwischen dem sichtbaren Bereich, dem nahen und kurzwelligen Infrarot besteht, und sie erlaubt die schnelle Zusammenstellung einer großen Zahl von Gletscherumrissen und ihre zeitlichen Veränderungen. Zusätzlich zu diesen Bändern, die im Senkrechtaufnahme-Modus arbeiten, hat ASTER auch einen rückwärts blickenden Stereosensor, der zusammen mit den Daten der Senkrechtaufnahmen eine photogrammetrische Darstellung der Gletschertopographie und ihre zeitliche Entwicklung ermöglicht.

In jüngerer Zeit rückt verstärkt die Beobachtung von unterschiedlichen Arten eisfremden Materials auf den Gletscheroberflächen in den Fokus. Man entwickelt satellitengestützte Verfahren, mit denen man Fremdmaterial, das von feinen Aerosolpartikeln über Vulkanascheteilchen bis zu großen Gesteinblöcken reicht, unterscheiden kann. Solche Informationen über die geochemische Zusammensetzung von Debris im weiteren Sinne können möglicherweise helfen, Fragen über die Auswirkung des Klimawandels auf Gletscher zu beantworten (s.u. 'Painted Glaciers').

The Arctic: a delicate icy ecosystem (ESA-Video) Die Arktis ist eine der sich am schnellsten verändernden Regionen der Welt. Der Rückgang des Meereises, das Auftauen des Permafrostes und das Schmelzen der Gletscher sind unmittelbare Auswirkungen des globalen Temperaturanstiegs, der durch die vom Menschen verursachten Emissionen verursacht wird. Im Video erfahren Sie mehr darüber, wie Satelliten, die 800 km über unseren Köpfen fliegen, uns helfen können, die Veränderungen in dieser abgelegenen Region zu überwachen und zu verstehen. Quelle: ESA

Beispiel: Earth from Space - the moraines of Malaspina

Die bemerkenswerten Moränenmuster des Malaspina-Gletschers - des größten Vorgebirgsgletschers der Welt - sind auf diesem Falschfarbenbild zu sehen, das von Copernicus Sentinel-2 am 4.Juli 2022 aufgenommen wurde.

Der Malaspina-Gletscher befindet sich westlich der Yakutat-Bucht im Südosten Alaskas, USA. Der Gletscher erstreckt sich über eine Fläche von etwa 2900 km², fließt etwa 80 km entlang der südlichen Basis des Mount St. Elias und ist etwa 300 m dick. Der Malaspina fließt schneller als die Piedmontgletscher in der Antarktis und Grönland. Vorgebirgsgletscher fließen aus einem steil abfallenden Tal, in dem das Eis durch Berge eingeengt wird, in eine flache Ebene. Durch den Wechsel von einem schmalen zu einem breiten Tal entsteht die für den Piemontgletscher charakteristische abgerundete Zunge.

Dieses Sentinel-2-Bild zeigt den zentralen Lobus des Gletschers, der sich in Richtung Meer wälzt. Dieses Bild wurde mit dem Nahinfrarotkanal bearbeitet, um die Vegetation in hellem Rot hervorzuheben. Die gewellten Linien um die untere Hälfte des Gletschers sind Felsen, Erde und andere Ablagerungen, die der Gletscher abgelagert hat - Moränen genannt. Die Farbe des Bodens variiert auf dem Bild von hell- bis dunkelbraun, während Eis und Schnee hellweiß erscheinen. Der niedrige Sonnenstand in den hohen Breiten Alaskas zu dieser Jahreszeit ist an den Schatten zu erkennen, die die Elias-Berge im Norden werfen. Das klare Wasser des Pazifischen Ozeans erscheint dunkelblau, während trübes Wasser in Cyan erscheint.

Der Malaspina-Gletscher wird von Wissenschaftlern in aller Welt eingehend untersucht. Die Anfälligkeit des Gletschers für den Klimawandel und die Zyklen des Anstiegs und Rückzugs wurden von Wissenschaftlern anhand von Copernicus- und Landsat-Daten untersucht. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass das Meerwasser im Falle eines durch den Klimawandel bedingten Anstiegs des Meeresspiegels zu erheblichen Veränderungen am Gletscherende und zu schwerwiegenden Auswirkungen auf die Lebensräume in diesem Gebiet führen könnte.

Die Moränen des Malaspina-Gletschers Quelle: ESA

Weitere Informationen:

• Looking Beyond the Visible (NASA Earth Observatory)
• Distinct Faces of Zmutt, Findelen, and Gorner Glaciers (NASA Earth Observatory)
• Exploring Mount Everest's Ice (NASA Earth Observatory)
• Global Glacier Changes: facts and figures (UNEP)
• Themenbezogene Links (Joanneum)
• Fernerkundung (AWI)
• Outburst at Desolation Lake (NASA EO)
• Tracking mountainous glaciers using TanDEM-X (ESA 2022)
• Earth from Space: the moraines of Malaspina (ESA)
• Gletscherbeobachtung und globale Trends (Warnsignal Klima: Hochgebirge im Wandel)
• International team maps nearly 200,000 glaciers in quest of sea-level rise estimates (University of Colorado Boulder)
• Painted Glaciers (NASA Earth Observatory)

GLI

Engl. Akronym für Global Imager; optischer Sensor an Bord von ADEOS-II, der die von der Erdoberfläche und von Wolken reflektierte Sonnenstrahlung beobachtet. Seine Fähigkeit, auch Infrarotstrahlung zu erfassen, erweitert die Arbeitsbereiche auf Chlorophyllgehalt, organische Substanz, Vegetationsindex, Temperatur, Schnee- und Eisbedeckung und Wolkenverteilung. Diese Daten dienen dem Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufes und von Klimaänderungen.

Gliederung

Engl. organization, franz. organisation du contenu d'image; nach DIN 18716 ein "grundlegender Vorgang der Bildinterpretation"; dort wird unterschieden:

• flächenhafte Gliederung, bei der der Bildinhalt in einzelne Flächeneinheiten aufgelöst wird, und zwar in der Regel stufenweise von großflächigen zu kleinflächigen Einheiten;
• linienhafte Gliederung, bei der die linienhaften Strukturen in einem Bild erfasst und in ihren hierarchischen Strukturen analysiert werden.

GLIMS

Engl. Akronym für Global Land Ice Measurements from Space; ein internationales Projekt (ca. 100 Institutionen aus 23 Ländern) zum Monitoring der irdischen Gletscher unter Federführung des USGS Astrogeology Research Program. Das Monitoring erfolgt mit Hilfe von hochauflösenden optischen Satelliteninstrumenten wie Landsat ETM+ mit seinem panchromatischen Band in 15m-Auflösung und vor allem mit ASTER (15 m im sichtbaren und nahen Infrarot-Bereich). Diese vermögen wichtige Einzelheiten von Naturgefahren darzustellen, z.B. Lawinen- und Schuttstromspuren, Gletscherspalten, Seen und die zeitlichen Veränderungen dieser Erscheinungen. Die satellitengestützten Beobachtungen werden durch flugzeuggetragene Systeme und in situ-Beobachtungen z.B. von Massenveränderungen der Gletscher ergänzt. Die aktuellen Satellitenbilder werden verglichen mit topographischen Karten und anderen Dokumenten über Gletscherstände. Die Aufnahmen erfolgen vorwiegend vom mittleren bis zum späteren Teil der Abschmelzsaison, dann ist das permanente Eis exponiert und dokumentierbar.

Das Verständnis von Gletschern führt uns zu einem größeren Verständnis unseres Klimasystems, des Klimawandels, des Zustandekommens von Kaltzeiten und der Auswirkung der globalen Erwärmung.

Das folgende Bild aus ASTER-Daten des NASA-Satelliten Terra zeigt junge Gletscherseen im unteren Bereich der Gletscherzungen. Die Gletscherseen sind Beleg für den alarmierend raschen Rückgang der Himalayagletscher. Sie bilden sich auf schuttbedeckten Gletscheroberflächen, am Ausfließen gehindert durch Moränen. Die Seen haben für den Schmelzvorgang einen selbstverstärkenden Effekt: Eis reflektiert die Sonnenstrahlen, wohingegen das Wasser die Wärme absorbiert, zum unterliegenden Eis überträgt und so weiteres Abschmelzen bedingt.

Junge Gletscherseen vor Rückzugsgletschern im Himalaya von Bhutan (29.5.2002) Quelle: NASA

Veränderungen der Gletscher können Gefahren für nahegelegene menschliche Gemeinschaften darstellen. Ausbrüche von Gletscherseen, Erdrutsche, Schuttströme und Schuttlawinen können mit ihren plötzlichen Fluten aus Wasser, Eis, Sedimenten, Felsblöcken, Bodenmaterial, und Schuttmassen Sach- und Personenschäden verursachen. Es ist noch ungeklärt ob einige dieser Gefahren zum normalen Verhalten von Gletschern gehören oder ob sie dramatische neue Bedrohungen von Seiten einer sich verändernden Kryosphäre ankündigen.

Weitere Informationen: GLIMS - Startseite (USGS)

Global Change

Siehe Globaler Wandel

Global Climate Observing System (GCOS)

1992 eingerichtetes System zur besseren Verfügbarmachung von Klimadaten für alle potentiellen Nutzer. Das System betreibt kein eigenes Beobachtungsnetz, sondern besitzt eher Impuls gebenden und koordinierenden Charakter. Es wird getragen von WMO, UNESCO, UNEP und ICSU und ist eines von insgesamt drei miteinander verbundenen Programmen von UN-Organisationen zur Umweltbeobachtung. Die beiden weiteren sind das Global Ocean Observing System (GOOS) und das Global Terrestrial Observing System (GTOS).

Im GCOS ist eine Liste von wesentlichen Klimavariablen (Essential Climate Variables, ECVs) definiert, mit denen man weltweit operationell arbeiten kann, und die gleichzeitig den Anforderungen von UNFCCC und IPCC entsprechen. Es gibt weitere Klimavariablen, die für das umfassende Verständnis des Klimasystems nötig sind, und die auch Gegenstand aktueller Forschung sind, die aber noch nicht auf systematischer Basis in die weltweite Datenerhebung eingebunden werden können.

Zusätzlich zur Wetterbeobachtung durch Satelliten bedarf das GCOS der Beobachtung von boden- und luftgestützten Plattformen aus, die sowohl in situ beobachten, wie auch mit Fernerkundungsmethoden arbeiten. Da keine einzelne Technologie alle nötigen Daten liefern kann, gibt es Instrumente auf Stationen an Land, wie auch auf Schiffen, fest verankerten Bojen, Treibbojen, Ozeanprofilern, Ballonen, Probensammlern, Flugzeugen und Satelliten. Diese Informationen führen dann durch Analyse und zeitliche wie auch räumliche Integration zu meteorologisch-klimatologischen Produkten.

Innerhalb des GCOS befasst sich die Global Atmosphere Watch (GAW) speziell mit Fragen der Atmosphärenchemie.

Measurements of variables in bold type are largely dependent on satellite observations. Quelle: CEOS / ESA

Weitere Informationen:

• GCOS-Poster (WMO u.a.)
• GCOS - Startseite (WMO u.a.)
• The Global Climate Observing System 2021: The GCOS Status Report (GCOS-240)

Global Cryosphere Watch (GCW)

Das von der WMO geförderte Programm Global Cryosphere Watch (GCW) ist ein internationales Instrument zur Unterstützung aller wesentlichen in situ- und Fernerkundungsbeobachtungen bezüglich der Kryosphäre. Die GCW liefert zuverlässige, klare und direkt verwendbare Daten, Informationen sowie Analysen des vergangenen, aktuellen und künftigen Zustands der Kryosphäre, wobei sie verschiedene Dienste für die Nutzer der Daten, für Medien, die Öffentlichkeit und für Entscheidungsträger bereitstellt und so den Bedürfnissen der Mitglieder und Partner der WMO entspricht. Die Arbeit der GCW umfasst Beobachtung, Monitoring, Bewertung, Produktentwicklung, Vorhersage und Forschung. Die Beobachtungskomponente der GCW ist ein Teil des WMO Integrated Global Observing System (WIGOS). Über WIGOS und das WMO Information System (WIS) wird die GCW einen grundlegenden Beitrag zum Global Earth Observation System of Systems (GEOSS) leisten.

Beobachtung verschiedener Kryosphärenparameter Obwohl es viele Satelliten und Sensoren gibt, die die Kryosphäre messen, sind nicht alle Methoden zur Abschätzung der Eigenschaften von Schnee, Eis und Permafrost ausgereift. Die Liste links gibt eine qualitative Einschätzung der derzeitigen (2015) Möglichkeiten zur Messung der Kryosphäre aus dem Weltraum. Quelle: GCW

Die Rolle von Satelliten im GCW umfasst:

• die Zusammenarbeit mit der Polar Space Task Group (PSTG) bei den Beobachtungsanforderungen;
• die Entwicklung von Satellitenprodukt-"Trackern", die auch für die Überwachung der Produktqualität nützlich sind;
• die Erleichterung, Unterstützung und Entwicklung von Best Practices für Produktvergleiche, sowohl in großem Maßstab als auch für Schwerpunktbereiche;
• die Bereitstellung von Daten aus verschiedenen CryoNet-Standorten zur Validierung von Satellitenprodukten. Die CryoNet-Standorte können gemeinsam die Bandbreite an Schnee- und Eisbedingungen liefern, die für die Validierung von Satellitenergebnissen erforderlich sind.

Weitere Informationen:

• Global Cryosphere Watch - Startseite (WMO)
• How does Copernicus help understand the magnitude of permafrost thawing and its impacts on society and the environment? (Copernicus 12/2020)

Global Earth Observation System of Systems (GEOSS)

Dt. Globales Erdbeobachtungssystem der Systeme; internationales Gremium zur Koordinierung verschiedener boden-, ozean- und satellitenbasierter Erdbeobachtungsprogramme, einschließlich Ozeanbojen, Wetterstationen und Atmosphärensonden. Die von 61 Staaten und 40 Internationalen Organisationen getragene Gründung des Gremiums folgt der Einsicht, dass einzelne Staaten, Agenturen oder Programme den Bedürfnissen der Erdsystemforschung und deren gesellschaftsorientierter Nutzanwendung nicht getrennt entsprechen können. Der Aufbau von GEOSS unterstützt administrative und politische Entscheidungen, wissenschaftliche Forschung sowie öffentliches und privatrechtliches Handeln bei der nachhaltigen Entwicklung. Ein zehnjähriges Umsetzungsprogramm wurde im Februar 2005 auf dem 3. Erdbeobachtungsgipfel in Brüssel beschlossen. Seither führt das zwischenstaatliche Forum Group on Earth Observations (GEO) Regierungen und relevante internationale Organisationen zur Koordinierung ihrer Erdbeobachtungsaktivitäten auf freiwilliger Basis zusammen und treibt GEOSS voran.

Zur Umsetzung von GEOSS in Deutschland hat das Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) die Deutsche Gruppe zur Erdbeobachtung (D-GEO) als nationale Koordinationsstruktur eingerichtet. Unter der Federführung des BMVI beteiligen sich verschiedene Bundesbehörden und Forschungsorganisationen an den Arbeiten der D-GEO. Es erfolgt eine enge Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst.

Erwarteter gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Nutzen von GEOSS:

• reduzierte Verluste an Menschenleben und an Eigentum bei Katastrophen
• besseres Verständnis für die Wirkung von Umweltfaktoren auf die menschliche Gesundheit
• Verstehen des Klimawandels und Umgang mit seinen Folgen
• verbessertes Ressourcenmanagement, z.B. bezüglich Energie und Wasser
• besseres Management von Ökosystemen und Biodiversität, sowie
• Unterstützung von nachhaltiger Landwirtschaft und Kampf gegen Desertifikation

Im Rahmen der gemeinschaftlichen Aktivitäten Copernicus und INSPIRE leistet Europa wichtige und koordinierte Beiträge zu GEOSS und positioniert sich zusammen mit den nationalen Beiträgen der Mitgliedsstaaten als starker Partner in GEOSS. Die Europäische Kommission hat neben den USA, China und Südafrika einen der vier GEO-Vorsitze inne. Sie bündelt und vertritt die europäischen Gemeinschaftsinteressen in der GEO.

Weitere Informationen:

• The Global Earth Observation System of Systems - 10-Year Implementation Plan
• GEOSS for Disasters (EU Kommission)
• GEOSS for Climate (EU Kommission)
• Group on Earth Observations - Startseite
• GEOSS Portal - Startseite (GEO / ESA)
• Das Globale Erdbeobachtungssystem der Systeme (GEOSS) - D-GEO (BMVI)
• D-GEO (DLR)

Global Fire Monitoring Center (GFMC)

Das Zentrum zur globalen Beobachtung von Vegetationsbränden wurde von UN-Gremien initiiert und mit Unterstützung der Bundesregierung 1998 gegründet. Es ist organisatorisch mit der Arbeitsgruppe Feuerökologie des Max-Planck-Instituts für Chemie, Abteilung Biochemie (Mainz) verbunden, die als Forschungseinrichtung an der Forstwissenschaftlichen Fakultät der Universität Freiburg angesiedelt ist.

Weitere Informationen:

• Global Fire Monitoring Center - Startseite

Global Geodetic Observing System (GGOS)

Das globale geodätische Beobachtungssystem der Internationalen Assoziation für Geodäsie (IAG) ist ein 1999 begonnenes internationales Projekt der Geodäsie und anderer Geowissenschaften, das auf ein konsistentes interdisziplinäres Erdmodell und eine Vernetzung verschiedener satellitengestützter Methoden der Erdbeobachtung hinzielt. Es soll unser Verständnis des dynamischen Systems Erde zu befördern, indem es dazu beiträgt, die Veränderungen unseres Planeten in Raum und Zeit zu quantifizieren. Dazu hat es sich folgende Aufgaben gegeben:

1. die Beobachtungen zu erfassen, die erforderlich sind, um die Änderungen der Form, der Rotation und der Massenverteilung der Erde zu erfassen und zu verstehen,
2. einen globalen Referenzrahmen bereitzustellen als Rückgrat für die Beobachtung und die Interpretation sowie
3. eine zentrale Grundlage zu bilden für Fortschritte in den Erd- und den planetaren Wissenschaften zum Nutzen der Gesellschaft und der Wissenschaft insgesamt.

Aus wissenschaftlich-technologischer Sicht verbergen sich hinter GGOS drei wesentliche Bestandteile. Hier sind zum einen die geodätischen Beobachtungsverfahren zu nennen. Wichtige Gruppen sind die sogenannten geometrischen Raumbeobachtungsverfahren, z.B. die Globalen Navigationssatellitensysteme (GNSS), die Laserentfernungsmessungen zu künstlichen Satelliten (SLR) oder die Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI), die Satellitenmissionen zur Erfassung des Erdschwerefeldes wie z.B. GRACE oder GOCE, weitere Satellitenverfahren wie die Radarinterferometrie sowie auch verschiedene terrestrische Verfahren.

Diese tragen unmittelbar zur Bestimmung des zweiten Bestandteils von GGOS bei, der Menge an geodätischen Parametern, anhand derer die Oberflächengestalt, die Rotation und das Schwerefeld der Erde einschließlich deren zeitlicher Variationen modellhaft beschrieben werden. Dritter Bestandteil sind die Modelle der Dynamik des Systems Erde und seiner Teilsysteme, die sich je nach Sensitivität in den geodätischen Parametern abbildet. Beispiele sind die Variationen der Erdrotationsparameter, die unter anderem auf Meeresströmungen zurückzuführen sind, und die Variationen der Erdschwerefeldparameter, an denen sich hydrologische Veränderungen erkennen lassen.

Neben der wissenschaftlich-modellhaften Verknüpfung der drei genannten Elemente ist auf technologisch-organisatorischer Ebene deren Abbildung in geeigneter Prozesse (Workflows) erforderlich. GGOS nimmt als Komponente der IAG eine zentrale Stellung zwischen deren etablierten Datendiensten und Kommissionen ein.

Weitere Informationen:

• The Global Geodetic Observing System - Startseite (International Association of Geodesy)
• Die Bedeutung Geodätischer Observatorien und die Rolle des BKG für das Globale Geodätische Bezugssystem (BKG)

Global Hawk

Landläufige Kurzbezeichnung für die Drohne Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk bzw. MQ-4 Triton, die von Northrop Grummans Ryan Aeronautical Center, San Diego, Kalifornien produziert wird. Als hochfliegendes Langstrecken-Aufklärungsflugzeug ersetzt die zunächst entwickelte Version RQ-4B derzeit bei der United States Air Force (USAF) die letzten Versionen des Aufklärungsflugzeugs U-2. In Deutschland wird eine andere Variante als Unbemanntes Luftfahrzeug (engl. UAS = Unmanned aircraft system) klassifiziert und als Euro Hawk bezeichnet, deren Entwicklung 2013 eingestellt wurde. Die RQ-4B ist das bisher größte in Serie gefertigte militärische unbemannte Flugzeug der Welt.

Die NASA erhielt zur zivilen Nutzung 2007 zwei RQ-4A Global Hawks von der US-Luftwaffe. Beide Exemplare sind auf dem Neil A. Armstrong Flight Research Center (vormals Dryden Flight Research Center) der Edwards Air Force Base stationiert. Später kam eine dritte Maschine dazu, die ebenfalls für wissenschaftliche Langzeit-Missionen in großen Höhen, wie der z. B. GloPac (Global Hawk Pacific) und WISPAR (Winter Storms and Pacific Atmospheric Rivers) von NASA und NOAA eingesetzt werden.

Weitere Informationen:

• NASA Armstrong Fact Sheet: Global Hawk High-altitude, long-endurance science aircraft (NASA)
• Global Hawk UAS (Unmanned Aerial System) of NASA (eoPortal Directory)
• ATTREX (Airborne Tropical TRopopause EXperiment) (eoPortal Directory)

Global Human Settlement Layer (GHSL)

Die Global Human Settlement Layer (GHSL) ist ein kostenloses Tool der Europäischen Kommission, das globale räumliche Informationen über die menschliche Präsenz auf dem Planeten produziert.

Das Projekt Global Human Settlement Layer (GHSL) kombiniert modernstes maschinelles Lernen mit Satellitendaten von Copernicus Sentinel und Landsat sowie Volkszählungsdaten, um wissenschaftlich fundierte Informationen zu generieren. GHSL verfolgt einen auf den Menschen ausgerichteten Ansatz für künstliche Intelligenz und setzt damit die Bemühungen der EU um die Förderung technologischer Lösungen um, die für die Menschen transparent und nachvollziehbar sind. Die GHSL-Produkte sind stark integriert und voneinander abhängig. Die Basisinformationsebene ist GHS-BUILT; sie wird durch die Verarbeitung großer Mengen von Satellitenbildern und anderen Referenzdatensätzen gewonnen, um bebaute Gebiete zu erkennen (vgl. From Earth’s surface to built-up area).

Die Informationen über die räumliche Verteilung der bebauten Gebiete weltweit werden dann mit Bevölkerungsinformationen (geeignete räumliche Informationen über Bevölkerungszahlen) kombiniert, um eine Bevölkerungskarte (GHS-POP) zu erstellen. Die Informationen über die Verteilung der bebauten Flächen und der Wohnbevölkerung werden dann gemäß dem Siedlungsmodell kombiniert, um sieben verschiedene Siedlungstypologien (GHS-SMOD) auf der Grundlage der Bevölkerungsdichte und -größe sowie der Kontiguität der Gitterzellen zu klassifizieren.

Die 2021 veröffentlichten GHSL-Daten nutzen die Daten von Copernicus Sentinel-2. Die gleichzeitige Verbesserung der zeitlichen und der räumlichen Auflösung ermöglicht die Kartierung kleiner Weiler, die zuvor übersehen wurden, und neue Erweiterungsflächen, die bislang nicht in älteren Datensätzen erfasst wurden. Das Produkt GHS-BUILT (Raster zu bebauten Gebieten) ist eine Karte der Bebauungsdichte mit einer Auflösung von 10 Metern, die Wohn- von Nicht-Wohngebieten unterscheidet. Die aus dem Jahr 2018 abgeleiteten jährlichen Raster werden auf das Jahr 2020 projiziert und berücksichtigen durch Integration von Landsat-Input auch die Situation in 2000, 1990 und 1975. Die Verbesserungen an GHS-BUILT kommen auch GHS-POP (Bevölkerungsraster) zugute, das mit einem neuen Modell zur Schätzung von Bevölkerungszeitreihen verbessert wird.

Schema des Daten-Inputs und der daraus entwickelten GHS-Produkte Quelle: Global Human Settlement Layer (EU 2021)

Ab 2021 ist die Gefährdungskartierung (Exposure Mapping) eine neue Komponente des Copernicus-Notfallmanagementdienstes (Copernicus Emergency Management Service, CEMS). Ziel ist die regelmäßige Erstellung globaler Geoinformationen über menschliche Siedlungen in Form von bebauten Flächenrastern.

Detaillierte Informationen über die Risikoexposition sind von grundlegender Bedeutung für ein angemessenes Krisenmanagement und die Bewertung des Katastrophenrisikos. Sie ermöglichen die Beantwortung von Fragen wie: Wie viele Menschen leben in einem überfluteten Gebiet? oder Wie viele Siedlungen werden von einem Wirbelsturm betroffen sein?

Das Hauptziel der CEMS-Komponente "Expositionskartierung" besteht darin, mit dem Global Human Settlement Layer hochpräzise und kontinuierlich aktualisierte, aus Satelliten- und Volkszählungsdaten abgeleitete Informationen über das Vorhandensein von Siedlungen und Bevölkerung bereitzustellen. Die Ergebnisse dieser Komponente werden in den Komponenten "On-Demand-Mapping" und "Frühwarnung und Überwachung" verwendet. Darüber hinaus sind die Informationen für viele andere Anwendungsbereiche relevant (Überwachung der Nachhaltigkeitsziele (SDG), Urbanisierung, nachhaltige Entwicklung).

Weitere Informationen:

• GHSL - Global Human Settlement Layer (EU Kommission)
• GHSL Data Package 2022 (EU Kommission 2022)

Global Monitoring for Environment and Security (GMES)

Im Dezember 2012 in Copernicus umbenanntes und im Aufbau befindliches, koordinierendes Programm von EU und ESA zur globalen Überwachung von Umwelt und Sicherheit auf der Grundlage von Satellitenfernerkundung und mit Hilfe von direkten Messungen. Für GMES/Copernicus wird mit Gesamtkosten von € 2,4 Mrd gerechnet.

Die drei Hauptziele von GMES/Copernicus lauten:

• Aufbau eines tragfähigen Dialogs zwischen Daten- / Informationsanbietern und -nutzern zur optimalen Verwertung,
• Schaffung eines European Shared Information System, nicht als Datenbasis sondern als Internet-ähnliche Informationsplattform mit leichtem Zugang zu Daten und Informationen,
• Aufbau einer eigenen GMES-Behörde und eines Finanzierungsrahmens

Zu den weiteren europäischen Erdbeobachtungssatelliten, die in GMES eingebunden sind oder nach ihrem Start eingebunden werden, gehören ENVISAT (a.B.), Meteosat, MetOp, Spot, COSMO-Skymed/Pleiades, TerraSAR, Tandem-X, RapidEye, Topsat, sowie die ESA-Earth Explorer Missions, wie CryoSat, SMOS, GOCE, Aeolus.

Weitere Informationen:

• The Roadmap for a GMES Operational Oceanography Mission (esa bulletin 124 - November 2005)
• Chancen und Möglichkeiten der Fernerkundung für die öffentliche Verwaltung (BMI, BKG, DLR)
• Copernicus - Observing the Earth (ESA)
• Sentinel Family Definition Studies (ESA)
• Copernicus (eoPortal Directory)

Global Navigation Satellite System (GNSS)

Dt. Globales Navigationssatellitensystem; allgemeine Bezeichnung für ein weltweit verfügbares System zur Positions- und Zeitbestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft durch den Empfang der Signale von Navigationssatelliten und Pseudoliten. Ein GNSS ist ein passives System, d. h. der Nutzer kommuniziert nicht mit dem Satelliten, sondern empfängt nur (Mikrowellen-)Signale.

Bei einem GNSS steht nicht allein die Standortbestimmung im Mittelpunkt, sondern darauf aufbauend die Inwertsetzung durch Navigationssysteme für Personen, Fahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge. Gerade diese Anwendungen stellen weitergehende Anforderungen an die Positionierungssysteme, die über die zu erreichende geometrische Genauigkeit der Lagebestimmung hinausgehen.

Derzeit (2020) sind NAVSTAR/GPS, GLONASS, BeiDou und Galileo die einzigen vollständig global einsatzfähigen Navigationssatellitensysteme. Inzwischen nutzen viele Empfänger gleichzeitig GPS-, GLONASS-, Galileo- und bereits auch BeiDou-Signale.

Die im ESA-Sprachgebrauch erste Stufe (GNSS 1) von GNS-Systemen basiert auf den vorhandenen amerikanischen und russischen Systemen GPS (NAVSTAR Global Positioning System) und GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) und bezieht ergänzende zusätzliche Maßnahmen ein, um für eine bestimmte Region die Situation für die zivile Navigation zu verbessern. In Europa werden dazu unter dem Namen EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) Transponder auf geostationären Kommunikationssatelliten (INMARSAT) installiert, um vorrangig Sicherheits- und Zuverlässigkeitsinformationen über den Systemzustand zu übermitteln. Im Jahre 2002 wurde beschlossen, im Rahmen von GNSS 2 ein eigenständiges ziviles europäisches Satellitennavigationssystem unter der Bezeichnung GALILEO aufzubauen. Im Dezember 2016 ist das GALILEO System mit der Erklärung sog. „erster Dienste“ in die operationelle Phase eingetreten. Seither können Nutzer Signale von GALILEO Satelliten im All verwenden. Verfügbar sind zunächst der offene Dienst (Open Service, OS), der Such- und Rettungsdienst (Search and Rescue, SAR) sowie der öffentlich-regulierte Dienst (Public Regulated Service, PRS). Das chinesische System BeiDou befindet sich seit Mitte 2021 im Vollbetrieb.

Ein GNSS hat neben der genauen Positionsbestimmung noch weitere Fähigkeiten. Schon bevor das amerikanische GPS im Jahr 1995 voll funktionstüchtig war, wurden die global und kontinuierlich verfügbaren Signale für geowissenschaftliche Anwendungen eingesetzt. Beispiele dafür sind das präzise Aufzeichnen der Bewegung der Kontinentalplatten mit einer Genauigkeit von einigen Millimetern pro Jahr, regionale und globale Atmosphärensondierung zur Verbesserung von Wetter- und Klimavorhersagen sowie die Fernerkundung von Wasser-, Eis- und Landoberflächen. Die Möglichkeiten von globalen Navigationssatellitensystemen für die Erdbeobachtung und das Spektrum der Anwendungen vergrößern sich kontinuierlich. Diese Entwicklung wird vor allem durch den Übergang vom Einzelsystem GPS zum sogenannten Multi-GNSS stimuliert, welches das russische GLONASS, das chinesische BeiDou und das europäische Galileo mit einbezieht. Zusätzlich steigt die Anzahl von GNSS-Empfängern auf der Erdoberfläche und auf niedrigfliegenden Satelliten stetig an.

Nutzungsbeispiele für Globale Navigationssatellitensysteme:

• Verkehrswesen (Straßennavigation, Fahrzeugortung, Nachverfolgung von Lieferungen, Geschwindigkeitskontrolle, Verkehrsleitsysteme, Nutzung von Car Sharing-Modellen im urbanen Raum)
• Vermessungswesen (Kataster, Baustelleneinmessungen)
• Landwirtschaft (Precision Farming zur Schonung von Ressourcen, dem Schutz der Natur und natürlich auch zur Steigerung von Nutzen und Ertrag, häufig unterstützt durch DGPS-Steuerung)
• Sozialdienste (Hilfe für Behinderte oder Senioren)
• Justiz- und Zollkontrollwesen (Aufspüren von Verdächtigen, Grenzüberwachung)
• Energiesektor (Synchronisation von Stromnetzen)
• Militär (Einsatz in Lenkwaffen wie den Cruise Missiles und Raketen, Steuerung von präzisionsgesteuerten Artilleriegeschossen, Zielerfassungssysteme, wie z.B. die Zielkameras der Bordkanonen von AH-1 Cobra Kampfhubschraubern)
• Rettungswesen, Sicherheit (SAR-Funktion bei Schiffs- und Flugzeugunglücken, Ortung von gestohlenen Objekten, entlaufenen Haustieren und vermissten Personen)
• Freizeitbereich (Trekking in fremden Gebieten, Kontrolle der zurückgelegten Strecke von Langstreckenläufern oder Cross Bike-Fahrern bei Wettbewerben)
• Geotagging, Georeferenzierung (Medien, z.B. Fotografien, Filme oder SMS-Nachrichten werden geographisch markierende Metadaten hinzugefügt)
• Finanzwesen (Synchronisation von Geldautomaten)
• Versicherungen
• Raumfahrt (autonome Navigation von Satelliten, Formationsflüge, autonome Rendezvous-Manöver)
• GNSS als Zeitbasis (Synchronisierung von Prozessen auch in weit auseinander liegenden Stationen. Diese Prozesse können z. B. die Protokollierung von Ereignissen, wissenschaftliche Messungen oder die Steuerung von Vorgängen sein.)
• Umwelt (Nachverfolgung von Schadstoffen, gefährlichen Gütern, Eisbergen, Bewegung von Tierpopulationen)
• Erdbeobachtung
  • Wasserdampfsondierung mit GNSS-Bodennetzen
  • Globale Atmosphärensondierung mit GNSS- Radiookkultation
  • Vermessung von Meeres- und Eisoberflächen mit GNSS-Reflektometrie
  • Landoberflächenmonitoring mit GNSS-Bodenstationen
  • Messung der Deformation der Erdoberfläche in Echtzeit

Die Leistung eines GNSS wird anhand von vier Kriterien bewertet:

• Genauigkeit: Die Differenz zwischen der gemessenen und der tatsächlichen Position, Geschwindigkeit oder Zeit eines Empfängers;
• Integrität: Die Fähigkeit eines Systems, einen Zuverlässigkeitsgrenzwert und im Falle einer Anomalie der Positionsdaten einen Alarm zu liefern;
• Kontinuität: Die Fähigkeit eines Systems, ohne Unterbrechung zu funktionieren;
• Verfügbarkeit: Der Prozentsatz der Zeit, in der ein Signal die oben genannten Kriterien für Genauigkeit, Integrität und Kontinuität erfüllt.

Diese Leistung kann durch regionale satellitengestützte Zusatzsysteme (SBAS), wie beispielsweise den European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS), verbessert werden. EGNOS verbessert die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von GPS-Informationen, indem es Fehler bei der Signalmessung korrigiert und Informationen über die Integrität seiner Signale liefert.

GNSS-Industrie und Wertschöpfungskette

In der Kombination von mobiler Telekommunikation, Informationsdiensten und Navigation liegen außerordentliche Marktpotenziale. Die GNSS-Wertschöpfungskette besteht aus einer nachgelagerten (downstream) und einer vorgelagerten (upstream) Komponente. Der vorgelagerte Teil besteht aus denjenigen Elementen, die die Weltrauminfrastruktur aufbauen (Satelliten, Bodensegment) und den Nutzern ein Signal liefern. Die downstream-Komponente hingegen liefert die Produkte und Dienstleistungen, die GNSS-basierte Ortung und Navigation als wesentliche Voraussetzung nutzen. Diese Produkte und Dienstleistungen umfassen die gesamte Wertschöpfungskette von GNSS-spezifischen Komponenten, GNSS-Empfängern, GNSS-fähigen Systemen, GNSS-fähiger Software und Mehrwertdiensten.

Quelle: GSA

Das GNSS-Downstream nutzt die vorgelagerte Infrastruktur und Signale innerhalb ihrer Komponenten, Anwendungen und Dienste. Diese nachgelagerte Branche lässt sich innerhalb der Wertschöpfungskette in drei weitere Kategorien unterteilen:

• Komponentenhersteller, darunter Hersteller von GNSS-spezifischen Komponenten (z.B. GNSS-Chipsätze und Antennen), kleine GNSS-Empfänger und integrationsfertige GNSS-Empfänger (d.h. an Systemintegratoren geliefert);
• Systemintegratoren, die die GNSS-Fähigkeit in größere Systeme wie Fahrzeuge integrieren;
• Anbieter von Mehrwertdiensten, deren Dienste den Zugang und die Nutzung des GNSS verbessern (z.B. GNSS-fähige Software wie Karten, Mehrwertdienste, Anwendungen, Telekommunikation und andere Anwendungen wie ortsbezogene Daten-Downloads).

Die European GNSS Agency (GSA) analysiert regelmäßig die GNSS-Wertschöpfungskette, um den Marktanteil der Unternehmen in jeder Weltregion abzuschätzen. Die Liste mit fast 900 Unternehmen in jedem Segment der Wertschöpfungskette für die Ausgabe 2017 finden Sie hier.

Weitere Informationen:

• GNSS - Globale Navigations-Satellitensysteme (Kompendium InfoTip)
• GNSS-Radiookkultation: Globale atmosphärische Klimauntersuchungen mit Signalen von Navigationssatelliten (GFZ)
• GPS und GNSS: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten (Jean-Marie Zogg)
• European Global Navigation Satellite Systems (GNS)

Global Observing System (GOS)

Globales meteorologisches Beobachtungssystem als Teilbereich der World Weather Watch (Weltwetterwacht), einem Programm der WMO. Zur großräumigen Erfassung meteorologischer Parameter ist ein möglichst dichtes Netz an Mess- und Beobachtungsstationen - auch aus den weniger zugänglichen Gebieten unserer Erde notwendig.

Das GOS arbeitet mit den Komponenten bodengestützte Fernerkundung, mobile Plattformen (Flugzeuge, Messballone), Satelliteneinsatz und GPS (GPS-MET). In den Seegebieten wurden vermehrt automatische Messstationen auf Bojen (verankert oder driftend) eingesetzt.

Komponenten des GOS	Das koordinierte System von Methoden und Einrichtungen zur Durchführung von meteorologischen und anderen Umweltbeobachtungen auf globaler Ebene zur Unterstützung aller WMO-Programme; das System besteht aus betriebssicheren boden- und raumgestützten Teilsystemen. Das GOS umfasst Beobachtungseinrichtungen an Land, auf See, in der Luft und im Weltraum. Diese Einrichtungen sind Eigentum der Mitgliedsländer der WMO und werden von ihnen betrieben, die sich jeweils verpflichten, bestimmte Verantwortlichkeiten im Rahmen des vereinbarten globalen Systems zu erfüllen, so dass alle Länder von den konsolidierten Bemühungen profitieren können.
	Das Rückgrat des oberflächengestützten Teilsystems bilden nach wie vor rund 11 000 Stationen an Land, die mindestens alle drei Stunden und oft stündlich meteorologische Parameter wie Luftdruck, Windgeschwindigkeit und -richtung, Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit an oder nahe der Erdoberfläche messen. Die roten Punkten stehen für Messungen an Land, die blauen für Beobachtungen von Schiffen aus.
	In einem weltweiten Netz von etwa 1 300 Stationen in der oberen Luftschicht messen Radiosonden, die an frei aufsteigenden Ballons befestigt sind, Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit von knapp über dem Boden bis zu einer Höhe von 30 km. In den Ozeangebieten werden Radiosondenbeobachtungen von etwa 15 Schiffen durchgeführt, die hauptsächlich im Nordatlantik unterwegs sind.
	Über den Ozeanen stützt sich das GOS - zusätzlich zu Satelliten - auf Schiffe, verankerte und treibende Bojen sowie stationäre Plattformen. Die Beobachtungen von Schiffen, die im Rahmen des WMO Voluntary Observing Ship (VOS)-Programms rekrutiert wurden, umfassen weitgehend dieselben Variablen wie die der Landstationen, mit den wichtigen Zusätzen von Meeresoberflächentemperatur, Wellenhöhe und -periode. Die Zahl der Beobachtungsschiffe beläuft sich auf etwa 4 000.
	Beobachtungen von über 3 000 Flugzeugen werden empfangen, die Berichte über Druck, Winde, Temperatur, Feuchtigkeit, Turbulenzen und andere Parameter während des Fluges liefern. Es sind qualitativ hochwertige Beobachtungen von Winden und Temperaturen auf Reiseflughöhe sowie auf ausgewählten Höhen im Steig- und Sinkflug. Die Menge der von Flugzeugen erfassten Daten ist in den letzten Jahren drastisch gestiegen. Diese Systeme bieten ein großes Potenzial für Messungen an Orten, an denen es nur wenige oder gar keine Radiosondendaten gibt.
	Umweltbeobachtungssatelliten gibt es in polnaher und in geostationärer Umlaufbahn, zusätzlich arbeiten mehrere Forschungssatelliten. Polumlaufende und geostationäre Satelliten sind in der Regel mit sichtbaren und infraroten Bildgebern und Sondierern ausgestattet, aus denen viele meteorologische Parameter abgeleitet werden können. Mehrere polumlaufende Satelliten sind mit Sounder-Instrumenten ausgestattet, die vertikale Profile von Temperatur und Feuchtigkeit in wolkenfreien Gebieten liefern können. Quelle: WMO

Weitere Informationen:

• Global Observing System (WMO)
• Observing Systems Capability Analysis and Review Tool - O.S.C.A.R. (WMO)

Global Ocean Observing System (GOOS)

Im Aufbau befindliches internationales Beobachtungssystem der Ozeane zur Ermittlung von Daten, die von Regierungen, Industrie, Wissenschaft und der Öffentlichkeit im Zusammenhang mit ozeanbezogenen Fragen benötigt werden, einschließlich der Wechselwirkungen Ozean-Atmosphäre. Die Datenbereitstellung dient insbesondere der Entwicklung von globalen und regionalen Modellen. GOOS ist ein Programm der UN-Organisationen UNESCO, WMO, UNEP und ICSU. Die deutschen GOOS-Aktivitäten werden vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie koordiniert.

Die GOOS-Ziele im einzelnen sind:

• Klimaüberwachung, -beurteilung und -vorhersage
• Überwachung und Abschätzung der marinen Lebendressourcen
• Beurteilung und Vorhersage des Qualitäts- und Gesundheitszustandes, insbesondere der Küstenmeere.

Weitere Informationen:

• GOOS - Startseite (UNESCO)
• Global Ocean Observing System - Broschüre (GOOS, UNESCO)
• Implementing Operational Ocean Monitoring and Forecasting Systems (GOOS, UNESCO, IOC, WMO 2021)

Global Positioning System (GPS)

Franz. systéme GPS; systéme de positionnement universel par satellites; dt. satellitengestütztes Ortungssystem zur Positionsbestimmung eines beliebigen Punktes auf der Erdoberfläche. GPS wird unter der vollständigen Bezeichnung NAVSTAR (NAVigation System with Time and Ranging) GPS vom U.S.-amerikanischen Verteidigungsministerium seit der Mitte der 70er Jahre aufgebaut, unterhalten und weiterentwickelt. Die Endausbaustufe wurde 1994 erreicht. Die Lebensdauer der Satelliten ist auf 10 Jahre ausgelegt, sie werden bei Bedarf ersetzt. Für zivile Nutzer ist eine ständige Verfügbarkeit im Rahmen des Standard Positioning Service (SPS) garantiert. Das Messprinzip ermöglicht den Einsatz sowohl für feste Beobachtungsaufstellung, als auch für bewegte Messträger wie Personen, Fahrzeuge und Satelliten.

Global Positioning System I Die 24 in 6 Orbitalebenen angeordneten Satelliten des GPS-Systems. Die Umlaufbahnen der GPS-Satelliten sind gegenüber dem Erdäquator um etwa 55° geneigt. Das System ist so ausgelegt, dass zu jedem Zeitpunkt weltweit mindestens vier Satelliten in einer Höhe von mindestens 15° über dem Horizont sichtbar sind. Quelle: NOAA

Global Positioning System II GPS-Satellit Block III, Exemplar des aktuellen, zwischen 2018 und 2023 ins All gebrachten Systems Quelle: Lockheed Martin

Die Satellitenkonfiguration besteht nominell aus 24 Satelliten in einer Bahnhöhe von 20.200 km und ist so gestaltet, dass von jedem Punkt der Erde aus gesehen jederzeit mindestens vier Satelliten über dem Horizont stehen. Die Satelliten vollziehen zwei komplette Erdumläufe in weniger als 24 h.

Das Navigationsprinzip beruht auf der gleichzeitigen Messung sog. Pseudoentfernungen zwischen mindestens vier Satelliten und einem GPS-Empfänger auf der Nutzerseite. Dazu senden die Satelliten auf zwei Trägerfrequenzen kodierte Signale sowie die vom Kontrollsegment bestimmten Broadcastephemeriden zur Berechnung der Satellitenpositionen aus. Aus den jeweiligen Satellitenpositionen und den aus der Laufzeitmessung durch Multiplikation mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit ermittelten Pseudoentfernungen wird empfängerintern in Echtzeit oder durch nachträgliche Bearbeitung der aufgezeichneten Daten die Nutzerpositionen berechnet.

Wegen der Bedeutung der genauen Laufzeitmessung der Satellitensignale sind die Satelliten mit hochpräzisen Uhren ausgestattet, die eine Genauigkeit von unter 3 Nanosekunden besitzen. Je nach Messanordnung, Satellitenkonfiguration, Signalnutzung und Fehlermodellierung lassen sich sehr unterschiedliche Genauigkeiten erzielen. Wesentliche Fehlerquellen sind die verfügbaren Bahninformationen, die Signalausbreitung in der Atmosphäre sowie in der Antennenumgebung und die aus militärischen Gründen eingeführte Signalverschlechterung.

Mit einem einzelnen Empfänger wird für zivile Nutzer (Handgerät) meist eine Genauigkeit von ca. 10-20 m erzielt. Durch Relativmessungen (Differentielles GPS, DGPS) zu bestehenden oder gesondert eingerichteten GPS-Referenzstationen lässt sich eine Genauigkeit von 2 bis 5 m, erzielen, mit professionellen Geräten auch darunter.

Die Erhöhung der Genauigkeitsbestimmung des Global Positioning System geht von dem Grundsatz aus, dass die GPS-Messgrößen bei benachbarten Empfängerpunkten Fehler gleicher Größenordnungen aufweisen. Somit werden zwei zeitgleiche Messungen mit zwei benachbarten Empfängern durchgeführt. Gegenüber der Messung mit dem beweglichen Empfänger im Gelände (sog. Rover) sind die Koordinaten der ortsfesten Referenzstation exakt bekannt. Dadurch kann die Differenz zwischen den (aktuell) gemessenen Pseudoentfernungen und den berechneten, geometrischen Entfernungen zu den Satelliten bestimmt werden. Diese Differenzwerte (Korrekturwerte) werden an den Empfänger (Roverstation) übertragen, der die Korrekturen der Pseudoentfernungen errechnet. Durch diese Fehlerkorrektur beim Differentiellen GPS (DGPS) ist bei Einzelpunktmessungen eine sehr hohe Genauigkeit zu erzielen. Referenzstationen können zum einen ortsfest und unbeweglich z.B. auf Dächern montiert sein, d.h. sehr häufig auf den Dächern der lokalen Vermessungs- und Katasterämter, und zum anderen nur bei jeweils einer Messkampagne ortsfest im Gelände bei bekanntem Bezugspunkt, insgesamt aber mobil sein (vgl. auch mobile Referenzstationen im Precision Farming).

DGPS-Einsatz im Agrarbereich Mit der Verarbeitung von mindestens 3 Satellitensignalen kann eine Standortbestimmung erfolgen. Mindestens 4 Signale sind erforderlich, um zusätzlich die aktuelle Höhe über Null zu bestimmen. Flächenvermessung, Positionsbestimmungen zur GPS-gestützten Bodenprobenahme, Bonitierungen in Flächen oder Unkrautkartierungen, Routenplanung und Flottenmanagement, exaktes Anschlussfahren oder Fahrspuraufzeichnung zur Dokumentation von Arbeiten sind denkbare Anwendungen in der Landwirtschaft. Bei RTK-Referenzstationen handelt es sich um GNSS-Sensoren, die statisch auf einem Punkt betrieben werden. Die Stationen berechnen aufgrund fest hinterlegter Koordinaten die durch Bahnfehler, Uhrenfehler und ionosphärischer Aktivität bedingten Fehler bei der Laufzeit- und Phasenmessung. Quelle: DLG

Mobile DGPS-Referenzstation Um den vollen Vorteil von GNSS nutzen zu können, ist eine hochgenaue Positionsmessung im Zentimeterbereich notwendig. Die hochgenauen differentielle Korrekturen (DGPS) im Sekundentakt können per Abonnement von einem Referenzierungsdienst bezogen werden, können aber auch von mobilen Referenzstationen erzeugt werden. Mobile Referenzstationen sind GPS-Zweifrequenzempfänger, die zusätzlich eine Trägerphasenmessung durchführen. Per Funk werden die Korrekturdaten an die Landmaschinen, z.B. Mähdrescher, übertragen. Per Funk werden die Korrekturdaten an die Landmaschinen, z.B. Mähdrescher, übertragen. Der GPS-Empfänger in der Landmaschine ist über ein Servosystem mit dem Antrieb und der Lenkung verbunden. Quelle: CLAAS

Die Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland bieten den Satellitenpositionierungsdienst SAPOS an, der ein Gemeinschaftsprodukt der Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland (AdV) ist. SAPOS stellt Korrekturdaten bereit, mit denen die Positionsgenauigkeit je nach Aufwand bis in den Millimeterbereich gesteigert werden kann. Dieser Dienst basiert auf einem Netz von permanent messenden Referenzstationen, die von den jeweiligen Landesvermessungen eingerichtet und betrieben werden. Die Daten sind bundesweit einheitlich nutzbar.

Weitere Informationen:

• GPS: The Global Positioning System
• GPS Basics (Federal Aviation Administration)
• All about GPS (Trimble)
• GPS Accuracy (GPS.gov)
• Satellitengeodäsie 1, GPS (M. Rothacher, TU München)
• Sondierung der Atmosphäre mit GPS (GeoForschungszentrum Potsdam)
• GPS und GNSS: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten (Jean-Marie Zogg)
• GNSS-Radiookkultation: Globale atmosphärische Klimauntersuchungen mit Signalen von Navigationssatelliten (GFZ)

Global Precipitation Climatology Centre (GPCC)

Das Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie (WZN) liefert globale Niederschlagsanalysen für die Klimaüberwachung und Klimaerforschung. Das Zentrum ist ein deutscher Beitrag zum Weltklimaforschungsprogramm (WCRP) und zum globalen Klimabeobachtungssystem (GCOS).

Weitere Informationen:

• Global Precipitation Analysis Products of the GPCC (Rudolf, B. et al., DWD)
• Globale Niederschlagsanalysen des Weltzentrums für Niederschlagsklimatologie für den Zeitraum ab 1951 (DWD)
• Global Precipitation Climatology Centre (DWD)

Global Sea Level Observing System (GLOSS)

Internationales Programm, das weltweit Pegelstationen zur Messung des Meeresspiegels vernetzt. Die standardisierten Informationen über die Meeresspiegelhöhe sind ein wichtiger Indikator für den Wärmegehalt des Ozeans, der seinerseits das Weltklima beeinflusst. Die Stationen sind verbunden mit dem globalen geodätischen Referenzsystem, das vom International Earth Rotation Service (IERS) vorgehalten wird. Dieses bedient sich neuer geodätischer Techniken, wie der Very Long Baseline Interferometry (VLBI), dem Global Positioning System (GPS) und absoluten Schwerefeldmessungen. GLOSS ist ein Teil des globalen Meeresbeobachtungssystems (GOOS) der Intergovernmental Oceanographic Commission (IOC).

Weitere Informationen:

• GLOSS-Flyer (engl.)
• Die Zukunft der Meere - zu warm, zu hoch zu sauer (WBGU)
• GLOSS - Startseite

Global Urban Footprint (GUF)

Projekt des DLR zur weltweiten Kartierung besiedelter Flächen in bislang einzigartigem räumlichen Auflösung. Dazu wurden insgesamt 180 000 Einzelaufnahmen aus den Jahren 2010-2013 und 308 Terabyte an Daten der beiden Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X verarbeitet und analysiert. Dies war nur möglich, da das Satellitengespann auch durch Wolken hindurch und selbst nachts aussagekräftige Daten aufzeichnen kann. Bisher gibt es keine andere globale Erfassung von Siedlungsstrukturen in dieser räumlichen Genauigkeit. Kleinere Dörfer sind bislang bei weltumspannenden Auswertungen nie erfasst worden, denn die eingesetzten Satelliten boten eine Auflösung von maximal 300 Metern. Dabei sind kleinteilige Strukturen sehr wichtig, da die zunehmende Zersiedelung in ländlichen Räumen fruchtbare Ackerflächen und Naturräume zerstört. Nach bisherigen Schätzungen sind etwa ein bis drei Prozent der Landoberfläche von Siedlungen bedeckt. Die ersten Ergebnisse der Radardaten-Auswertung zeigen jedoch, dass der Anteil der besiedelten Flächen vielfach unterschätzt wird. Die deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X lassen eine Auflösung von drei Metern zu, was selbst einzelne Gebäude aus dem All erkennen lässt.

Als Ergebnis dieser komplexen, vollautomatischen Auswertung wird die Erdoberfläche in drei wesentliche Bedeckungstypen untergliedert: Siedlungen (schwarz), Landoberfläche (weiß) und Wasser (grau). Durch diese Reduzierung werden die Siedlungsmuster sichtbar und können somit eindeutig auf ihre Eigenschaften und Charakteristika hin untersucht und beschrieben werden.

Alpenvorland mit Ulm, Augsburg und München I Im SW reicht diese optische Satellitenaufnahme bis zum Tettnanger Wald mit seinen Kiesgruben, erkennbar an den hellen Flecken der opt. Aufnahme. Nördlich von TT das kurze Städteband von Ravensburg/Weingarten, gut in der Radaraufnahme widergegeben. Quelle: DLR EOC

Alpenvorland mit Ulm, Augsburg und München II Die dargestellte Region ist auch in den ländlichen Gebieten zwischen den Städten besiedelt. Dies zeigen die feinen Strukturen, die aus den Radardaten der Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X des DLR erstellt wurden. Optimale Auflösung über Link unten Quelle: DLR EOC

Ab Ende 2014 stehen die „Global Urban Footprints“ Wissenschaftlern zur Verfügung, beispielsweise als Basis für exaktere Modellierungen des Klimas, genauere Risikoanalysen in Erdbeben- oder Tsunamigebieten und für die verbesserte Beobachtung des menschlichen Einflusses auf Ökosysteme. Der Datensatz kann zugleich als Ausgangspunkt für ein weltweites Monitoring der historischen sowie der zukünftigen Siedlungsentwicklung dienen. Dies ermöglicht, unter anderem, vergleichende Analysen der Siedlungsdynamik zwischen verschiedensten Regionen der Erde.

Weitere Informationen:

• Global Urban Footprint (DLR)
• Die Signatur des Menschen auf dem Blauen Planeten (DLR Magazin 144, 12/2014)

Globale Beobachtungssysteme

Gesamtheit der in den 1980er Jahren von mehreren UN-Organisationen angeregten Programme zur umfassenden und globalen Langzeitbeobachtung von klimabezogenen Phänomenen. Sie sind in Kooperation mit der Wissenschaftsgemeinde und nationalen Regierungen Hauptbestandteil der UN-Earthwatch. Als Partner mit satelliten- und bodengestützten Systemen zur globalen Umweltbeobachtung von Atmosphäre, Meeren und Land sind die Programme in der Integrated Global Observing Strategy (IGOS) zusammengefasst.

Weitere Informationen:

• The Changing Earth (ESA)

globale Operation

Engl. global operations, franz. opérations globales; nach DIN 18716 Bezeichnung für "bildbasierte Bildverarbeitungsoperationen". Die Fouriertransformation ist ein Beispiel für eine globale Bildverarbeitungsoperation.

Globaler Wandel

1. Im engeren Sinne:
a) Syn. Globale Umweltveränderungen, Global Change; durch Eingriffe des Menschen in die natürliche Umwelt bedingte Veränderungen mit globalem Ausmaß. Besonders der Klimawandel, der Verlust biologischer Vielfalt, die Bodendegradation sowie die Verknappung und Verschmutzung von Süßwasser zählen zu den weltweit voranschreitenden kritischen Veränderungen der natürlichen Umwelt. Beschleunigt werden diese Eingriffe in die natürliche Umwelt durch die anhaltende Ausbreitung nicht nachhaltiger Lebensstile, die anhaltende absolute Armut sowie das Bevölkerungswachstum. Eine Folge globaler Umweltveränderungen ist die wachsende Verwundbarkeit vor allem der Entwicklungsländer gegenüber Naturkatastrophen,  Nahrungskrisen und Erkrankungsrisiken. Umweltzerstörung ist daher auch zu einer Sicherheitsfrage geworden. Die Herausforderung für Wissenschaft und Politik liegt in der neuen Qualität dieser weltweit wirksamen Eingriffe des Menschen in das System Erde. Mit globaler Umwelt- und Entwicklungspolitik, die sich am Leitbild der nachhaltigen Entwicklung orientiert, sollen diese Probleme bewältigt werden.

b) Teilweise meint der Begriff auch die Betrachtung derjenigen zeitlichen und räumlichen Veränderungen des Systems Erde, die zu messbaren Veränderungen der Umwelt innerhalb menschlicher Zeitskalen führen, unabhängig davon, ob sie geodynamische oder anthropogene Ursachen haben.

Das Monitoring des globalen Wandels ist ein ideales Einsatzfeld für Fernerkundungsverfahren (s. Umweltmonitoring und Fernerkundung). Die Identifizierung und zuverlässige Beobachtung der großräumigen Veränderungen im Kontext des globalen Wandels ist sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus soziopolitischer Sicht interessant und bedarf effizienter geodätischer Messmethoden von globalem Charakter, die es ermöglichen, globale Signale über längere Zeiträume konsistent abzutasten. Fernerkundungsverfahren werden diesen Anforderungen aus mehreren Gründen in besonderer Weise gerecht und sind daher besonders zur Beobachtung von globalen Veränderungen der Erdoberfläche geeignet. Durch geeignetes Design ihrer Satellitenorbits können Fernerkundungssysteme lange Zeitserien systematisch gemessener globaler Wiederholaufnahmen bereitstellen, die sich ideal zur Identifizierung dynamischer Prozesse eignen. Die Kalibrierung moderner Fernerkundungssysteme ermöglicht es weiterhin, diese dynamischen Prozesse nicht nur zu erkennen, sondern zusätzlich mit geodätischer Genauigkeit zu quantifizieren.

Die Verfügbarkeit globaler Beobachtungssysteme ist eine Grundvoraussetzung für die globale Analyse dynamischer Umweltparameter. Als Antwort auf dieses Grundbedürfnis wurden in den letzten Jahrzehnten mehrere nationale und internationale Erdbeobachtungsprogramme ins Leben gerufen, deren Sensoren das System Erde regelmäßig über ein breites Frequenzspektrum hinweg abtasten, und eine Flut von Basisdaten generieren, die zur Analyse unserer Umwelt eingesetzt werden können. Zur Koordinierung dieser global verteilten Beobachtungsprogramme wurden eine Reihe internationaler Gremien und Organisationen ins Leben gerufen, deren Ziel es ist existierende Satellitensysteme zu integrieren, und zukünftige Beobachtungssysteme international aufeinander abzustimmen.

Meyer (2017) gibt anhand dreier Beispielstudien einen Einblick in die Bandbreite dieses Themas sowohl in der Fernerkundungsmethodik als auch in der geophysikalischen Anwendung: Die Studien beschreiben den Beitrag der Fernerkundung zur Beobachtung des globalen Waldbestandes, zur Analyse von Veränderungen der Land- und Seeeismassen und zur Messung des globalen Meeresspiegels.

2. Im weiteren Sinne: International übergreifendes Phänomen, welches globale Umweltveränderungen, ökonomische Globalisierung, kulturellen Wandel und ein zunehmendes Nord-Süd-Gefälle umfasst.

Weitere Informationen:

• Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung "Globaler Wandel" - Startseite
• Global Change Master Directory - A Directory to Earth Science Data and Services (NASA GSFC)

Globalstrahlung

Syn. Insolation (von engl. incoming solar radiation), engl. auch global/sky radiation, franz. rayonnement (solaire) global; die bei der photogrammetrischen Aufnahme von Satellitenbild und Luftbildern wirksame Beleuchtung der Erdoberfläche als Summe der gerichteten (direkten) Sonnenstrahlung (Q) und der durch Absorption und Streuung in der Atmosphäre entstehenden diffusen Himmelsstrahlung (q).

DIN 18716 definiert den Begriff knapp als "Summe der direkten Sonnenstrahlung und der diffusen Himmelsstrahlung".

Um die mit dem Begriff bezeichnete Energie zu bestimmen, beginnt man mit dem Strahlungsangebot außerhalb der Atmosphäre. Die sog. Solarkonstante gibt die Strahlungsleistung an, die außerhalb der Erdatmosphäre senkrecht auf eine Fläche trifft. Ihr Wert liegt bei etwa 1,35 kW/m². 90% dieser Solarstrahlung liegt im Bereich des sichtbaren Lichts (Tageslicht) und des nahen Infrarots.

Auf dem Weg durch die Atmosphäre bis zur Erdoberfläche gehen 53 % der Solarleistung verloren. Die verbleibenden 47 % setzen sich zusammen aus direkter Solarstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung, die Summe beider Komponenten wird als Globalstrahlung bezeichnet. Sie unterliegt starken regionalen Unterschieden, da die diffuse Reflexion und selektive Absorption von der Ausprägung unterschiedlicher Faktoren gesteuert wird. Wesentliche Parameter sind die breitenabhängige Länge des Strahlungsweges, der unterschiedliche Gehalt an Wasserdampf und Aerosol in der Atmosphäre sowie der wechselnde Bewölkungsgrad.

Obwohl sich beide Komponenten mit atmosphärischen Bedingungen und Bewölkung stark ändern, ist das Spektrum ihrer Summe für wolkenfreien und bewölkten Himmel relativ konstant.

Seit den 1980er Jahren existieren Verfahren zur Ableitung der Globalstrahlung aus Beobachtungen von geostationären oder polar-umlaufenden Satelliten. Der bestimmende Faktor der Globalstrahlung ist die Bewölkung; letztere kann unter Tageslichtbedingungen gut vom Satelliten beobachtet werden. Weitere Faktoren, die die Globalstrahlung beeinflussen, sind der Wasserdampfgehalt und die Art und Menge an Aerosol. Informationen dazu werden üblicherweise aus externen Quelle, z. B. aus Klimatologien oder Reanalysen, verwendet.

Die Genauigkeit der aus Satellitendaten abgeleiteten Globalstrahlung wird mittels Vergleich zu Referenzbeobachtungen am Boden bestimmt. Im Monatsmittel ergibt sich eine Genauigkeit von ca. 5 W/m², für Tagesmittelwerte der Globalstrahlung werden Genauigkeiten von ca. 15 W/m² erreicht. Der große Vorteil der satelliten-basierten Globalstrahlungsdaten liegt in der umfassenden räumlichen Abdeckung und der konsistenten Erfassung der Daten. Satelliten-gestützte Globalstrahlungsdaten liegen mit Beginn der operationellen Satellitenbeobachtungen von 1982 vor; die zur Verfügung stehende Zeitreihe umfasst also mittlerweile einen Zeitraum von mehr als 30 Jahren. (DWD)

Weitere Informationen:

• Entwicklung der Globalstrahlung zwischen 1983 und 2020 in Deutschland (DWD 2023)

GlobColour

Engl. Akronym für Global Ocean Colour for Carbon Cycle Research; dieses ESA-Projekt beinhaltet die Entwicklung eines 10 Jahre umfassenden globalen Datensatzes zur Ozeanfarbe durch die Mischung der Informationen von Sensoren unterschiedlicher Satelliten:

MERIS auf ENVISAT, MODIS auf Aqua und SeaWiFS auf OrbView-2 (syn. SeaStar).

Weitere Informationen:

• GlobColour - A Precursor to the GMES Marine Core Service Ocean Colour Thematic Assembly Centre, (esa bulletin 132, November 2007)
• Projektseite (ESA)

GlobCover

GlobCover ist ein Zweijahresprojekt mit dem Ziel, die mit 300 m Bodenauflösung detaillierteste, frei verfügbare Karte der globalen Landbedeckung zu entwickeln. Das Projekt bereitet Daten auf, die für die Bereiche Landnutzung, Ökosysteme und Klimawandel bedeutsam sind. Der europäische Satellit Envisat liefert mit seinen Sensoren MERIS und ASAR den Großteil der Daten zu GlobCover. Das MERIS-Instrument wird für dieses Projekt systematisch im Full-Resolution-Modus eingesetzt. Täglich fertigt es durchschnittlich 150 Minuten Bildmaterial mit einer Raumauflösung von 300 Metern an.

Mit mehr als 20 unterschiedlichen Oberflächenklassen soll sie auf einzigartige Weise das Antlitz unseres Planeten abbilden. Man rechnet mit einer Datenmenge von ca. vierzig Terabyte (1.000 Gigabyte), die im Zeitraum vom Januar 2005 bis zum Juni 2006 aufgenommen wurden. GlobCover ist Teil des Earth Observation Data User Element der ESA, und es ist mit dem UN Land Cover Classification System kompatibel. Die Daten werden seit September 2008 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Das folgende Mosaik der weltweiten Landbedeckung entstammt dem ENVISAT-Instrument MERIS. Für dieses Mosaik wurden die wolkenfreien Aufnahmen von 1561 Orbits verwendet, die im Mai, Juli, Oktober und November 2004 stattfanden. Das Farbkompositbild wurde durch die Mischung der MERIS-Spektralkanäle 2, 3, 5 und 7 generiert.

Weitere Informationen:

• GLOBCOVER - The most detailed portrait of Earth (esa bulletin 136, November 2008)
• GlobCover (EO Data User Element)
• EO Data User Element (Download von Postern mit Darstellungen von Ländern, Kontinenten, der Erde; sehr große Dateien)

GLOBE

Engl. Akronym für Global Learning and Observations to Benefit the Environment; weltweites Programm, das Forschung und Bildung im Bereich Umwelt miteinander verknüpft. Schüler, Lehrer sowie Wissenschaftler arbeiten gemeinsam daran, durch langfristige Beobachtung umweltrelevanter Parameter ein tieferes Verständnis über das Zusammenwirken der einzelnen Umweltkompartimente Klima, Gewässer, Boden und Vegetation zu erreichen. Die Erhebung und Auswertung von Umweltdaten erfolgen nach genau definierten Protokollen. Diese wurden von den beteiligten Wissenschaftlern für die Schüler ausgearbeitet.

GLOBE geht auf eine Initiative des ehemaligen US-amerikanischen Vizepräsidenten Al Gore zurück, der GLOBE am 24. Earth Day (22.4.1994) ankündigte und alle Länder zur Teilnahme einlud. Die politische Zusage Deutschlands erfolgte im gleichen Jahr. Inzwischen beteiligen sich ca. 1.000 Schulen in 97 Ländern an GLOBE.

Ursprünglich vom DLR betreut, lag die Koordination von GLOBE Deutschland vorübergehend beim Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften (IPN) an der Universität Kiel. Die Zukunft von GLOBE Deutschland ist nach dem Ende der Finanzierung durch die Bundesregierung ungewiss. Anfang 2012 hat sich GLOBE-Deutschland auf Vereinsbasis neu konstituiert. Seine Ziele und Aktivitäten sind nachzulesen auf www.globe-deutschland.de. Sie entsprechen dem internationalen GLOBE-Programm.

GLONASS

Russ. Akronym für Global'naya Navigatsionnaya Sputnikova Sistema, ein dem NAVSTAR GPS sehr ähnliches globales Satelliten-Navigationssystem der früheren UdSSR, das jetzt vom Verteidigungsministerium der Russischen Föderation weiter betrieben wird.

Der Aufbau begann 1972, Start der ersten Satelliten war 1982, 1996 war der Vollausbau mit 24 Satelliten (davon drei Reservesatelliten) erreicht. Im Sommer 2019 waren 27 Satelliten im Orbit (23 operationelle Satelliten, 2 Reservesatelliten, jeweils 1 Satellit in Wartung und in einer Testphase).

Während beim NAVSTAR/GPS alle Satelliten gleiche Frequenzen, aber mit unterschiedlichen Codes nutzen, senden bei GLONASS alle Satelliten mit gleichem Code aber auf jeweils unterschiedlichen Frequenzen. Sowohl ein präziser wie auch ein grober Code sind für zivile Empfänger nutzbar, wobei der präzise aus militärischen Gründen stets auf einen anderen (geheimen) Code geändert werden kann. Somit sind auch Zweifrequenzmessungen für zivile Anwendungen möglich.

Weitere Informationen:

• Russian Space Agency, Information-Analytical Centre

GLORIA

Engl. Akronym für Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere; neuartige Infrarot-Kamera, die die von den atmosphärischen Gasen ausgesandte Wärmestrahlung in ihre Spektralfarben zerlegt. Dadurch können diese Gase und ihre großräumigen Bewegungen sehr genau abgebildet werden. GLORIA wurde am Forschungszentrum Jülich und dem Karlsruher Institut für Technologie gemeinsam entwickelt. Es ist weltweit das erste einer neuen Generation von Messinstrumenten, die in Zukunft auch auf Satelliten eingesetzt werden sollen. Die Infrarot-Kamera registriert in zehn bis 20 Kilometern Höhe zahlreiche klimarelevante Spurengase, die hier durch atmosphärische Austauschprozesse vertikal und horizontal vermischt werden. Das Gerät misst diese Prozesse erstmals mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung. So wird es für die Forscher möglich, aktuelle Klimamodelle zu testen und zu verbessern.

Ein weiterer Schwerpunkt der Messungen mit GLORIA sind die sogenannten "Schwerewellen" in der Atmosphäre: starke Luftturbulenzen, die bei bestimmten Wetterlagen unter anderem an der Rückseite von Gebirgszügen entstehen. In der Luftfahrt sind diese Wellen gefürchtet, sie spielen aber auch für das Klima eine wichtige Rolle.

Nach erfolgreichem Ersteinsatz auf dem Forschungsflugzeug Geophysica wird das Spektrometer ab Sommer 2012 an Bord des neuen deutschen Forschungsflugzeugs HALO installiert.

Weitere Informationen:

• GLORIA: weltweit einzigartiges Experiment für die Klimaforschung (FZ Jülich)

Glory

Gescheiterte Fernerkundungsmission der NASA mit zwei getrennten Aufgabenbereichen. Der auf einer erdnahen (705 km) Umlaufbahn (LEO) fliegende Glory-Satellit sollte den Einfluss der Energieabstrahlung der Sonne auf das Klima und die Atmosphäre der Erde untersuchen. Mit dem Total Irradiance Monitor-Instrument (TIM) sollte Glory die langfristigen Messungen der Gesamtstrahlung der Sonne (solar irradiance) durch die Earth-Radiation-Budget- und ACRIM-Instrumente weiterführen und ebenso die Messungen des SORCE-Satelliten. Zudem hatte Glory ein Instrument (Aerosols Polarimetry Sensor, APS) zur Erforschung der natürlichen und anthropogenen Aerosole der Erdatmosphäre an Bord. Dabei stand die Bestimmung der globalen Verteilung, der mikrophysikalischen Eigenschaften sowie der chemischen Zusammensetzung von Aerosol und Wolken im Blickpunkt, deren Genauigkeit und Umfang eine zuverlässige Quantifizierung des direkten und indirekten Aerosol-Einflusses auf das Klima erlaubt. Zur Unterstützung dieses Instruments befand sich eine Kamera an Bord, um die Wolken im Blickfeld des Aerosol-Sensors zu erkennen.

Der Satellit wurde von der Orbital Sciences Corporation in Dulles, Virginia im Auftrag des Goddard Space Flight Center gebaut. Dabei kam der Satellitenbus des eingestellten VCL-Satelliten zum Einsatz, der über mehrere Jahre eingelagert war. Es handelte sich dabei um ein drei-Achsen-stabilisiertes Raumfahrzeug mit einem Steuersystem, welches den Satelliten zur Sonne und nach Kalibrierungssternen ausrichtet. Das Startgewicht betrug 545 Kilogramm. Die Solarzellen sollten eine Leistung von 400 Watt liefern.

Glory war Bestandteil des Earth Observing Systems (EOS). Der Satellit wurde am 4. März 2011 gestartet, erreichte aber aufgrund des Versagens der Trägerrakete Taurus 3110 (Taurus XL) keine Erdumlaufbahn und stürzte in den Pazifik.

Weitere Informationen:

• Glory Brochure (NASA)
• Aerosols: Tiny Particles, Big Impact (NASA)
• Understanding Earth's Energy Balance (Glory-Seite der NASA)

GLOSS

Siehe Global Sea Level Observing System

GMES

Siehe Global Monitoring for Environment and Security

GMOSS

Engl. Akronym für Global Monitoring for Security and Stability; ein integrierendes Netzwerk aus dem Bereich wissenschaftlicher und technologischer Forschung, das die Sicherheitsaspekte der EU-Initiative zu globalem Umwelt- und Sicherheitsmonitoring auf Satellitenbasis unterstützte. Das 2004 etablierte Netzwerk sollte die diesbezüglichen autonomen Fähigkeiten Europas aufbauen und stärken.

Die relevanten wissenschaftlichen und technologischen Bereiche:

1. die generischen Methoden, Algorithmen und die Software, die für die automatische Interpretation und Visualisierung von Bilddaten nötig sind, einschließlich der Objekterkennung und der Veränderungserkennung (change detection),
2. die spezifischen Wissenschaftszweige und Technologien zur Gewährleistung von:
   a) effektivem Monitoring internationaler Verträge gegen die Weiterverbreitung von Massenvernichtungswaffen
   b) besserer Abschätzung von Bevölkerungsentwicklungen auf globaler Basis
   c) besserem Monitoring von Infrastrukturen und Grenzen
   d) rascher Schadensbilanzierung,
3. die Untersuchung von aktuellen und zukünftigen Bedrohungen und die Notwendigkeit zum Informationsaustausch während Krisensituationen.

GMOSS besaß eine Laufzeit von vier Jahren und bestand in der Anfangsphase aus 25 Organisationen aus dem öffentlichen und dem privaten Sektor.

GMS-5

Siehe Geostationary Meteorological Satellite

GNSS-Reflektometrie (GNSS-R)

Die GNSS-Reflektometrie ist eine relativ neue Kategorie von Satellitennavigationsanwendungen. Sie beinhaltet Fernerkundungsmethoden zum Empfang und zur Verarbeitung von Mikrowellensignalen, die von verschiedenen Oberflächen reflektiert werden, um Informationen über diese Oberflächen zu extrahieren.

Beim GNSS-R fungiert der GNSS-Satellit als Sender und ein Flugzeug oder ein Satellit in der erdnahen Umlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO) als Empfangsplattform. Für Altimetrie-Anwendungen kann ein GNSS-R-Empfänger auch auf dem Land platziert werden. Ein Vorteil der GNSS-R-Fernerkundung ist die Allgegenwart von Signalquellen, einschließlich GPS, Galileo, GLONASS und Beidou.

Bei diesen Methoden werden die von Wasser-, Eis- oder Landoberflächen reflektierten Signale von Navigationssatelliten aufgezeichnet und ausgewertet. Wichtige geophysikalische Eigenschaften der reflektierenden Oberflächen können abgeleitet werden, wie geometrische Höhe, Bodenfeuchte oder Rauhigkeit, die z.B. mit Windgeschwindigkeit und -richtung über Wasseroberflächen korreliert werden kann. Eine breite Palette von Anwendungen ist möglich, wie z.B. Beiträge zu Wettervorhersagen, Breitsschwad-Altimetrie (wide-swath altimetry), Messungen der Meereswinde, des Salzgehalts des Meerwassers und der Dichte der Eisschicht sowie Feuchtigkeitsmessungen über Land.

Weitere Informationen:

• GNSS-Reflektometrie (GFZ)

GOCE

Engl. Akronym für Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer; Satellit der ESA zur präzisen Modellierung des irdischen Schwerefeldes und des Geoids. Der Start erfolgte am 17. März 2009 mit einer russischen Rockot-Rakete vom russischen Weltraumbahnhof Plesetsk aus. GOCE umkreiste die Erde so nah wie möglich - in nur 260 km Höhe -, um seine Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen im Schwerefeld der Erde mit noch nie dagewesener Genauigkeit und räumlicher Auflösung zu maximieren. Die Mission ist seit 2013 beendet.

Das Hauptinstrument des Forschungssatelliten ist ein 3-Achsen-Schweregradiometer, bestehend aus je 2 hochempfindlichen Beschleunigungssensoren pro Achse im Abstand von je 0,5 m. Die differentielle Beschleunigungsmessung ergibt die 2. Ableitung des Schwerepotentials (Eötvös-Tensor, Schweregradienten). Die sonnensynchrone polare Umlaufbahn des 5,3 Meter langen und ca. 1.100 kg schweren Satelliten wird mit Hilfe einer GPS-Antenne auf wenige cm genau bestimmt (satellite to satellite tracking). Sie verläuft extrem niedrig in etwa 260 km Höhe und besitzt eine Neigung von 96,5 Grad.

GOCE im All Quelle: ESA

Aus wissenschaftlicher Sicht bildete GOCE die Fortsetzung der Schwerefeldsatellitenmissionen CHAMP (Deutschland, 2000) und GRACE (USA/Deutschland, 2002). Durch die drei Missionen CHAMP, GRACE und GOCE zeichnet sich ein Qualitätssprung ab hinsichtlich Genauigkeit, Auflösung und globaler Überdeckung. Damit wird die Einbeziehung von Schwerefeldinformation auch für eine wachsende Zahl von geowissenschaftlichen Anwendungen interessant. Gute Beispiele sind die Bestimmung der dynamischen Meerestopographie zur Erfassung der Ozeanzirkulation oder die Beschreibung der Lithosphärenstruktur durch die Kombination von seismischen Ergebnissen mit Schwerefelddaten. Weitere Anwendungsbereiche sind die Bestimmung der Topographie des Meeresbodens und der Dicke des Eises auf den Polarmeeren sowie die Rekonstruktion der Dichte der großen Eisschilde.

Von den drei Missionen konnte GOCE die höchste räumliche Auflösung erreichen und Strukturen ab ca. 70 km Größe erfassen. GRACE hingegen zielte eher auf die Messung von zeitlichen Variationen im Schwerefeld.

Wissenschaftliche Ziele der GOCE-Mission:

• Errechnung eines hochgenauen, globalen Modells der Schwerkraftfelder der Erde sowie des Geoids, das als Grundlage für Forschungsziele in den verschiedenen Geowissenschaften dient, wie z.B.
• die Schaffung eines nationalen, kontinentalen und globalen Höhenreferenzsystems, welches die Erforschung von topographischen Prozessen erleichtert,
• die Entstehung von Eisschichten und die Topographie der Landflächen,
• ein neues Verständnis der Struktur der Erdkruste und der Lithosphäre, zum Beispiel an den Kontinentalrändern, sowie geodynamischer Prozesse wie der Mantelkonvektion mit Hilfe seismischer Daten (regional, global),
• ein Modell von Ozeanzirkulation und Wärmetransporten im Ozean (global und regional). Hier werden die GOCE-Daten mit Daten aus der Satellitenaltimetrie kombiniert,
• ein Modell der Eisdicke, welches Gradiometerdaten von GOCE mit Altimeterdaten verbindet,
• eine genaue Erfassung des Meeresspiegels und das Verständnis seiner Variationen. Für neue Erkenntnisse in diesem Bereich benötigen wir Fortschritte auf allen gerade genannten Gebieten.

Das Schwerefeld, das sich aus den GOCE-Daten ableiten lässt, spielt zweierlei Rollen in den Geowissenschaften: einmal entspricht das ermittelte Geoid einem hypothetischen Meeresspiegel im Ruhezustand (relevant für die Ozeanzirkulation, Meeresspiegelanstieg, Höhensysteme) und zweitens spiegelt die Gravitation Prozesse im Erdinnern (z.B. Massenänderungen, Sedimentierung, Entstehung von Grabenbrüchen).

Untersuchungsobjekte der GOCE-Mission Quelle: TU München

GOCE war die erste Kernmission der ESA im Rahmen ihres Erderkundungsprogramms „Living Planet“. Eine Serie hochspezialisierter Satelliten wird dabei gesicherte Daten über die in der Atmosphäre, in den Ozeanen und auf dem Festland ablaufenden Prozesse liefern sowie neue Erkenntnisse globaler Umweltveränderungen gewinnen. Diese dienen als Grundlage politischer, wirtschaftlicher, wissenschaftlicher und technologischer Entscheidungen.

Ursprünglich sollte der Satellit in Abhängigkeit von seinem Treibstoffvorrat nur 1,5 Jahre in der Umlaufbahn bleiben. Dass sein Treibstoff länger hielt, hängt mit der Sonne zusammen. Ist das Zentralgestirn relativ aktiv, dehnt sich die Erdatmosphäre leicht aus. Das beeinträchtigt den Satelliten in seinem niedrigen Orbit: Er wird leicht abgebremst und benötigt mehr Energie, um seine Bahn zu halten. Da die Sonne in den vergangenen Jahren aber sehr ruhig war, konnte GOCE treibstoffsparend fliegen.

Nachdem der Satellit seine geplante Einsatzzeit nahezu verdreifachte, hat er im November 2013 aufgrund von Treibstoffmangel seinen Dienst beendet. Über dem Südatlantik ist er in die dichtere Atmosphäre gesunken, dabei zerbrochen und großenteils verglüht, wobei auch einige kleinere Teile die Erdoberfläche erreichten.

GOCE hat mit seiner Mission eine hochgenaue Kartierung von Variationen des irdischen Schwerefeldes ermöglicht. Mit seinen Daten wurde es Wissenschaftlern möglich, die Moho (Kruste- / Mantelgrenze) hochaufgelöst in einer Karte darzustellen. Neben vielen weiteren Ergebnissen spürte GOCE auch Schallwellen auf, die von dem schweren Erdbeben in Japan vom 11. März 2011 ausgingen.

41 europäische Unternehmen arbeiteten bei der Realisierung des Satelliten zusammen. Die Führung hatte die italienische Thales Alenia Space. In Deutschland war EADS Astrium (Immenstaad) der Hauptauftragnehmer für die Satellitenplattform.

Das Europäische Satellitenkontrollzentrum ESOC in Darmstadt steuerte die Flugoperationen und übernahm die Missionskontrolle. Die Datenverarbeitung und Bereitstellung erfolgte im Europäischen Zentrum für Erdbeobachtung (integriert in ESRIN), in Frascati bei Rom. Die wissenschaftliche Datenauswertung wird im Auftrag der ESA von einem Konsortium aus zehn europäischen Universitäten und Forschungseinrichtungen durchgeführt. Es wirken Wissenschaftler aus Bern, Bonn, Delft, Graz, Kopenhagen, Mailand, München, Potsdam, Toulouse und Utrecht mit.

Weitere Informationen:

• ESA's Schwerkraftmission GOCE (ESA)
• GOCE - Neues Weltbild aus der Schwerkraft (GOCE Projektbüro / TUM)
• Die ESA startet mit GOCE ihren ersten Erdforschungssatelliten (ESA)
• GOCE (ESA earth online)
• Mass Transport and Mass Distribution in the Earth System (GOCE Projektbüro)
• Die Schwerkraft-Mission GOCE - Special - (ESA)
• Earth’s Gravity from Space - Some insights into the scientific achievements and legacy of the ESA's gravity mission GOCE (ESA)

GODAE

Engl. Akronym für Global Ocean Data Assimilation Experiment; internationales Experiment mit der Vision eines globalen Systems von Beobachtungen, Informationsflüssen, Modellierungen und Datenintegration, das regelmäßig und in Echtzeit umfassende Informationen über den Zustand der Ozeane in drei Dimensionen liefert.

Goddard Space Flight Center (GSFC)

Teilorganisation der NASA mit der Aufgabe, das Wissen über die Erde und ihrer Umgebung, über das Sonnensystem und das Universum durch weltraumbasierte Beobachtungen zu erweitern.

Weitere Informationen:

• NASA Goddard Space Flight Center
• Goddard Space Flight Center - Startseite

GOES

Siehe Geostationary Operational Environmental Satellite

GOES-R

Siehe Geostationary Operational Environmental Satellite-R Series (GOES -16 / -17 / -18 / -19)

Göktürk 1

Aufklärungs- und Erdbeobachtungssatellit des türkischen Verteidigungsministeriums. Er wurde am 5. Dezember 2016 mit einer Vega-Trägerrakete vom Centre Spatial Guyanais in eine sonnensynchrone Umlaufbahn gebracht. Der 300 Mio. Euro teure Satellit wurde 2009 bestellt, aber aufgrund von Forderungen der Türkei, inländische Firmen bei der Produktion des Satelliten stärker einzubinden und eigene Testanlagen im Inland zu betreiben, kam es zu Verzögerungen. Daher wurde bereits 2012 der zusammen mit Südkorea weitgehend selbst entwickelte Göktürk 2 gestartet, der jedoch keine so hohe Auflösung erreicht.

Der dreiachsenstabilisierte Satellit ist mit einer Kamera mit 80 cm Auflösung ausgerüstet und soll hochauflösende Bilder für zivile und militärische Zwecke liefern. Gebaut wurde der rund eine Tonne schwere Satellit auf der Basis des PROTEUS-Satellitenbusses von Telespazio, einem Gemeinschaftsunternehmen des italienischen Rüstungs- und Raumfahrtkonzerns Leonardo und seines französischen Partners Thales. Der Satellit besitzt eine geplante Lebensdauer von sieben Jahren.

Weitere Informationen:

• GÖKTÜRK-1 (TAI)

Göktürk 2

Aufklärungs- und Erdbeobachtungssatellit des türkischen Verteidigungsministeriums, der weitgehend in der Tükei entwickelt und gebaut wurde. Er wurde am 18. Dezember 2012 um 16:13 MEZ mit einer Langer Marsch 2D-Trägerrakete vom chinesischen Raketenstartplatz Jiuquan in eine sonnensynchrone Umlaufbahn gebracht.

Der eigentliche Vorgänger Göktürk 1 wurde erst im Dezember 2016 gestartet. Ein Vertrag von Telespazio und Thales Alenia Space einerseits mit dem türkischen Verteidigungsministerium andererseits zum Bau eines Aufklärungssatelliten mit einer Auflösung von unter einem Meter wurde im Dezember 2008 geschlossen. Dabei sollte Telespazio lokale türkische Unternehmen in die Entwicklung der Systeme des Satelliten sowie eines Bodensegments einbeziehen.

Der dreiachsenstabilisierte Satellit ist mit einer in Südkorea gebauten Multispektralkamera ausgerüstet und hat eine Auflösung von 2,5 m panchromatisch, 10 m multispektral und 20 m im nahen Infrarotbereich sowie eine Schwadbreite von 20 km. Die Speicherkazität an Bord des Satelliten liegt bei 15 GByte. Die Solarzellenausleger stammen von der deutschen Firma SpaceTech aus Immenstaad. Göktürk 2 besitzt eine geplante Lebensdauer von fünf Jahren. Neben militärischen Aufgaben soll er auch zivilen Aufgaben wie zum Beispiel dem Umwelt- und Katastrophenschutz dienen.

Weitere Informationen:

• GÖKTÜRK-2 (TAI)

GOLD

Engl. Akronym für Global-scale Observations of the Limb and Disk, dt. etwa Globale Beobachtungen des Planetenrandes und der Erdscheibe; GOLD ist die erste NASA-Sonde, die als bezahlte sekundäre Nutzlast auf einem kommerziellen Satelliten (Kommunikationssatellit SES-14) mitfliegt. Über fünf Jahre hinweg soll damit alle 30 Minuten die Temperatur und Zusammensetzung der Ionosphäre und Thermosphäre gemessen werden. Damit wird untersucht, wie Wetter und Magnetfeld der Erde mit den Einflüssen des Alls interagieren. Mit den so gewonnenen Daten wollen Forscher unter anderem Kommunikationssignale verbessern.

Die Ionosphäre reagiert nicht nur auf den Energieeintrag durch Sonnenstürme. Terrestrisches Wetter, wie Hurrikane und Windmuster, können die Atmosphäre und die Ionosphäre formen und ihre Reaktion auf das Weltraumwetter verändern.

Diese Mission wird Messungen der ionosphärischen Zusammensetzung durchführen. GOLD erforscht unsere Weltraumumgebung, in der sich Astronauten, Funksignale zur Steuerung von Flugzeugen und Schiffen sowie Satelliten zur Bereitstellung von Kommunikations- und GPS-Systemen befinden.

GOLD wurde im Rahmen des Explorer-Programms entwickelt und basiert auf einem bildgebenden, zweikanaligen Spektrographen für Wellenlängen zwischen 132 und 160 Nanometern (UV-C). Das Instrument wurde vom Labor für Atmosphären- und Weltraumphysik (Laboratory for Atmospheric and Space Physics, LASP) der Universität Colorado (University of Colorado Boulder, CU Boulder) gebaut. Im Januar 2017 war das Instrument mit einer Masse von rund 37 Kilogramm zu Airbus Defence and Space nach Toulouse gebracht worden, wo man es anschließend in SES 14 integriert hatte.

Der Start von SES 14 mit GOLD und einem weiteren Kommunikationssatelliten erfolgte am 25.1.2018 mit einer Ariane-5 von Kourou. Der Satellit hat seine Position über Brasilien auf einem geostationären Orbit.

Weitere Informationen:

• Going for Atmospheric GOLD (NASA Earth Observatory)
• GOLD (Global-scale Observations of the Limb and Disk) Hosted Payload in GEO (eoPortal Directory)

GOME / -2

Engl. Akronym für Global Ozone Mapping Experiment; Nutzlastinstrument auf ERS-2 und auf METOP in der verbesserten Version GOME-2. GOME ist ein Spektrometer, das die von der Atmosphäre gestreute Sonnenstrahlung im ultravioletten und im sichtbaren Spektralbereich (240 bis 790 nm) misst. Es kann eine Reihe von atmosphärischen Spurenbestandteilen messen mit dem Schwerpunkt auf der globalen Ozonverteilung. Aber auch andere atmosphärische Parameter (z. B. Spurengase) können mit GOME gemessen werden. So liefert GOME auch wesentliche Daten zur Erforschung vulkanischer Gase und deren Transport über die Erdoberfläche.

Das seit 2006 aktive GOME-2 hat im Vergleich zur ersten Version eine höhere räumliche und spektrale Auflösung.

Weitere Informationen:

• GOME-2 (EUMETSAT)
• GOME-2 - Startseite (DLR)
• Ozonmessung mit GOME (G. Rampe)
• GOME (CEOS EO Handbook)
• GOME-2 (CEOS EO Handbook)
• Tropospheric Emission Monitoring Internet Service (KNMI)

GOMOS

Engl. Akronym für Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars, ein Sensor auf ENVISAT der der sehr genauen Messung von Ozon in der Stratosphäre sowie Profilmessungen von Spurengasen in der oberen Troposphäre und der Mesosphäre dient. Mit seinem UV-VIS-Spektrometer (250 - 675 nm) und seinem Infrarot-Spektrometer (756 - 773 nm / 926 - 952 nm) nimmt GOMOS untergehende Sterne gegen den dunklen Himmel ins Visier und misst deren Lichtspektrum durch die Atmosphäre hindurch. GOMOS wiederholt diese Messungen bis zum Verschwinden der Sterne hinter dem Horizont. Die Spektren ändern sich wegen der unterschiedlichen Absorption durch Ozon und Spurengase in der Atmosphäre in Abhängigkeit von der relativen Sternenposition.

Zu der Ausstattung von GOMOS gehören zwei weitere Photometer und ein sog. "star tracker" zur Identifizierung und Verfolgung der scheinbaren Sternenbahnen. Aus den Messwerten kann die Menge an Ozon und Wasserdampf in der Atmosphäre in Höhen von 20 bis 100 km ermittelt werden.

Die GOMOS-Mission ist vor dem Hintergrund der während der letzten Dekaden offensichtlich gewordenen Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre zu sehen. Diese Veränderungen vollziehen sich in globalem Maßstab und sie sind teilweise anthropogen bedingt. Ozon spielt in der Atmosphärenchemie eine zentrale Rolle. Es ist durch die Absorption von schädlicher UV-Strahlung weitgehend für die Erwärmung der Stratosphäre verantwortlich, es bestimmt in hohem Maße die oxidative Kapazität der Troposphäre, und es ist ein wichtiges Treibhausgas. Auch hat die Entdeckung des "Ozonlochs" über der Antarktis die Aufmerksamkeit auf den globalen Ozonhaushalt gelenkt.

Die wichtigsten Ziele der GOMOS-Mission sind:

• die Erstellung von Messprofilen bzgl. Ozon, NO₂, NO₃, OClO, Temperatur and Wasserdampf,
• die Fähigkeit zur Messung auf der Tag- wie auf der Nachtseite,
• weltweite Messungen mit typischerweise über 600 Messprofilen pro Tag,
• die Fähigkeit zu Messungen in Bereichen zwischen der Tropopause und 100 km Höhe,
• die Erzielung einer Höhenauflösung von unter 1,7 km.

Weitere Informationen:

• GOMOS (ESA Missions Earth Observation)

GOMS

Engl. Akronym für Geostationary Operational Meteorological Satellite; Programm russischer Wettersatelliten, mit Alternativbezeichnung Elektro; GOMS-1 befand sich von Oktober 1994 bis November 2000 auf einer geostationären Umlaufbahn in 36.000 km Höhe über 76°50' E.

GOMS-Wettersatellit Die Leistung des Satelliten war wiederholt durch technische Probleme beeinträchtigt. Quelle: SPUTNIK

Weitere Informationen:

• Electro - GOMS (OSCAR)

Goniometer

Messgerät zur Erfassung von Einfallswinkel und Intensität reflektierter Strahlung. Mit einem Goniometer kann Information über die Strahlungscharakteristiken innerhalb eines Pflanzenbestandes abgeleitet werden.

Google Earth

Ein von Google Inc. aufgesetztes Internetportal zu weltweiten Geoinformationen. In der Form eines virtuellen Globus kann diese in der Basisversion und seit 20.1.2015 auch in der Pro-Version kostenfreie Software Satelliten- und Luftbilder sowie terrestrische Aufnahmen unterschiedlicher Auflösung mit Geodaten verbinden und auf einem digitalen Höhenmodell der Erde zeigen. Neben der einfachen Navigation auf dem Globus wurden eine Suchfunktion und ein Messwerkzeug integriert. Über ein Auswahlmenü lassen sich die unterschiedlichsten Kartenschichten ein- und ausblenden, weiterhin eigene Punktkoordinaten abspeichern. Das Programm kann auch als Streckenplaner eingesetzt werden. Dank vieler Erhebungsdaten und Overlayinformationen über Städte und Geschäftszweige eignet sich Google Earth zudem als Branchen-Suchdienst.

Ergänzend zu den Bilddaten (Rasterdaten) greift die Software auf zahlreiche Vektordatensätze zu. Ländergrenzen, Ortschaften oder Verkehrsnetze sind so einblendbar. Besonders im US-amerikanischen Raum sind zahlreiche weitere Kartenschichten wie Hotels, Schulen und Apotheken verfügbar. Im deutschsprachigen Raum können z.B. Straßenverläufe und Straßennamen angezeigt werden. Zusätzlich lassen sich GPS-Daten in die Software importieren. Die Tour-Funktion erlaubt einem schließlich, seine virtuellen Rundreisen mit Sprache und Musik zu unterlegen, um sie dann mit anderen zu teilen.

Seit Version 4.3 sind die in Google Maps bekannten Rundumsichten aus den Straßen einiger Gebiete, genannt Street View, auch in Google Earth erreichbar.

Darüber hinaus können sich Internetnutzer mit "Google Earth" umfassend über die Weltmeere und deren Flora und Fauna informieren. Im so genannten "Google Ocean"-Modus wird die Unterwasserwelt in einer 3D-Ansicht präsentiert, der mit Filmen, Bildern und Texten angereichert ist. Auch die Oberflächen von Mond und Mars können erkundet werden. Der Sternenhimmel ist ebenfalls ein Mosaik ("Google Sky") aus vielen detaillierten Bildern, die von Weltraumteleskopen und Sternwarten aus aufgenommen wurden.

Mit der Sonnenstandsfunktion lässt sich das Sonnenlicht auf der Erdoberfläche zu einem frei wählbaren Zeitpunkt simulieren. So kann ein beliebiger Ort bei Tag, Nacht und in der Dämmerung angezeigt werden. Das Geländemodell sowie 3D-Modelle werden in die Berechnung miteinbezogen, so dass z.B. auch Schattenhänge in engen Tälern dargestellt werden. Der Sonnenauf- und Untergang ist auch als Animation abspielbar.

Über die Zeitreisenfunktion lassen sich viele Gebiete so betrachten, wie sie zu einem bestimmten Zeitpunkt aussahen, den man auf der Zeitleiste bestimmen kann. Das wird durch historische Luft- und Satellitenbilder möglich, die über die Google-Earth-Oberfläche gelegt werden. Google Earth kann auch historische Karten anzeigen, die sich als neue Ebene über die Karte legen. Wenn man beispielsweise einen Ausschnitt von Baden-Württemberg auswählt, wird der Rest der Karte immer noch angezeigt.

Beginnend bei einer Ansicht des Globus kann man immer weiter in die Details hineinzoomen. Viele der Daten sind auch über Google Maps als Website verfügbar. Die Qualität der Aufnahmen ist unterschiedlich. Die Detailauflösung der Rasterdaten beträgt flächendeckend meist 15 m (ein Pixel entspricht 15 m × 15 m), in einigen Ballungsgebieten sind teilweise auch Auflösungen bis zu 15 cm verfügbar. Bei dieser Auflösung lassen sich einzelne Menschen als solche erkennen, wobei ein günstiger Schattenwurf hilfreich ist.

• Basis-Auflösung
  - weltweit meist 15 m (Einige Inseln in den Weltmeeren sind nur mit der sehr niedrigen Auflösung des Blue-Marble-Bildes zu sehen.)
• typische hohe Auflösung
  - Große Bereiche Europas und in den USA teilweise ganze Staaten: 1 m, 60 cm, 30 cm, 15 cm. Einige Städte sind sogar mit einer noch höheren Auflösung von 5–10 cm pro Pixel dargestellt.
  - Global: hohe Auflösungen in den meisten Ballungsräumen weltweit (z. B. Bagdad).

Die Bilddaten gröberer Auflösung – bis im besten Falle 60 cm – stammen zwar aus Satellitenbildern, für höhere Auflösungen werden jedoch aus Flugzeugen aufgenommene Bilder verwendet. Als Hauptdatenquelle gilt 2006 das Unternehmen DigitalGlobe, welches selbst zwei Satelliten betreibt. Weitere frühere und aktuelle Lieferanten: EarthSat, First Base Solutions, GeoEye-1, GlobeXplorer, Ikonos, ORBVIEW-2, Pictometry International, Spot Image, Aerometrex, Sinclair Knight Merz, CNES.

Inzwischen wird auch der Aufnahmezeitpunkt, wenn dieser bekannt ist, jahres-, monats- oder oft sogar tagesgenau an der unteren Fensterkante eingeblendet. Google Earth benutzt für die Pseudo Mercator Projektion das globale geodätische System WGS84 mit dem EPSG Code 3857.

Google Earth Pro, eine früher kostenpflichtige Version (400 US-Dollar jährlich) für professionelle Zwecke, unterstützt weitere Module wie etwa einen Movie-Maker. Ferner können Bilder hochaufgelöst gedruckt, Entfernungen, Flächen und dreidimensionale Entfernungen ausgemessen und verschiedene zusätzliche Extra-Daten angezeigt werden.

Unterstützt wird der Import der Formate MapInfo .TAB, ESRI Shapefile, US Census Tiger Line Files (RT1) und MicroStation DGN.

Die Bilddaten von Google-Earth sind darüber hinaus mittels Google Maps über einen Web-Browser einzusehen. Google Earth kann auch als Anwendung aus Apples App Store heruntergeladen werden. Außerdem ist es bei Google Play für Android-Geräte erhältlich.

Weitere Informationen:

• Google Earth - Startseite mit Downloadoption (Google)
• Google Earth - (Er)Lernen (Google)
• Google Earth - Häufig gestellte Fragen (Google)
• Google Earth Tutorial (Klett)
• My Google Earth Timelapse: Meine geografische Zeitreise (DW)
• Google Earth (Wikipedia, engl.)

Google Earth Engine

Google Earth Engine ist eine cloudbasierte Analyseplattform für raumbezogene Daten, auf der Nutzer Satellitenbilder unseres Planeten sehen und auswerten können. Diese Bilder reichen von den 1970er Jahren bis heute.

Wissenschaftler und gemeinnützige Organisationen nutzen die Earth Engine für Recherchen per Fernerkundung, Prognosen von Krankheitsausbrüchen, das Management natürlicher Ressourcen und vieles mehr.

Mit Google Earth kann man die Welt bereisen, erforschen und kennenlernen, indem man mit einem virtuellen Globus interagiert. Earth Engine hingegen ist ein Werkzeug zur Analyse von Geodaten. Sie können die Wald- und Wasserflächenanteile analysieren, Veränderungen in der Landnutzung oder sogar den Zustand landwirtschaftlicher Flächen bewerten.

Earth Engine kombiniert einen Multi-Petabyte-Katalog mit analysefähigen Satellitenbildern und Ferndiagnosedaten mit Google-Skalenberechnungen, mit denen man Analysen im Planetenmaßstab durchführen kann - alles vom eigenen Browser aus.

Mit den dazugehörigen Tools und aktueller Computertechnologie können anhand dieser umfangreichen Daten aussagekräftige Analysen erstellt und spezifische Suchvorgänge durchgeführt werden. Earth Engine ist ein wertvolles Tool für Schüler und Studenten, um Analysen zum Klimawandel und zu vielen anderen Themen zu erstellen. Ein eindrucksvolles Beispiel dafür ist das Timelapse-Projekt: Hier werden in einer interaktiven Ansicht die Änderungen der Landbedeckungen weltweit in einer wolkenlosen Animation über einen Zeitraum von 32 Jahren dargestellt.

Ab 2022 bietet Google Unternehmen und staatlichen Einrichtungen über Google Cloud eine kommerzielle Version der Google Earth Engine an. Die Zielgruppe sind Organisationen, die Wert auf Nachhaltigkeit legen. Unternehmen stehen unter dem Druck von Aufsichtsbehörden, Investoren und Kunden, ihre Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. Google will ihnen helfen, ihre Nachhaltigkeitsziele mit mehr und besseren Daten zu erreichen.

Einigen ausgewählten Unternehmen steht die kommerzielle Version von Earth Engine schon seit vergangenem Jahr zur Verfügung. Google zufolge nutzte SC Johnson die Plattform, um mehr über die Schwankungen der Mückenpopulationen zu erfahren und so die Entwicklung seiner Schädlingsbekämpfungsprodukte zu steuern. Anhand von Milliarden einzelner Wetterdaten in Kombination mit Daten über Mückenpopulationen der letzten sechs Jahrzehnte entwickelte das Unternehmen ein öffentlich zugängliches Prognosemodell darüber, wann und wo Mückenpopulationen auftauchen werden.

Gemeinnützigen Organisationen sowie für akademische Forschung und Bildungszwecke stellt Google die Earth Engine nach eigenen Angaben weiterhin kostenfrei zur Verfügung.

Weitere Informationen:

• Google Earth Engine (dt.)
• Google Earth Engine (engl.)

GOOS

Siehe Global Ocean Observing System (GOOS)

GOSAT

Engl. Akronym für Greenhouse Gases Observing Satellite, japan. Ibuki (Atem); Erdbeobachtungssatellit der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA zur Messung des Kohlendioxid- und Methangehalts in der Erdatmosphäre. GOSAT ermöglicht die flächendeckende Erfassung von Daten und schließt damit eine große Beobachtungslücke, die durch das weitmaschige und ungleich verteilte Netz an bodengebundenen Messpunkten bedingt ist. GOSAT-Daten werden künftig mit Daten von Bodenmesspunkten und Flugzeugen sowie denen von Simulationsmodellen kombiniert, bzw. in diese einfliessen.

GOSAT wurde am 23.1.2009 vom japanischen Weltraumbahnhof der Insel Tanegashima aus gestartet. Der Satellit bewegt sich in ca. 660 km Höhe auf einem polnahen Orbit um die Erde. Er ist mit zwei Sensoren ausgestattet. Einer von ihnen verfolgt die Infrarotstrahlen der Sonne, die von der Erdoberfläche oder der Atmosphäre reflektiert werden. So soll die Dichte der Treibhausgase gemessen werden. Der andere Sensor soll Wolken und Schwebstoffe beobachten, deren Präsenz oft zu Fehlern bei den Messungen führen.

Für Ibuki war eine Einsatzdauer von fünf Jahren geplant. Im Jahr 2014 wurde der Einsatz um vier Jahre verlängert, im Februar 2023 ist der Satellit noch immer aktiv.

Klimasatellit GOSAT / Ibuki Quelle: JAXA

GOSAT-2

Am 29. Oktober 2018 wurde der Nachfolgesatellit GOSAT-2 gestartet. Das Gerät soll Daten über die regionale Verteilung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid und Methan liefern. Daneben soll er der Analyse von Wald- und Minenbränden, dem Aufspüren starker Kohlenmonoxid und Kohlendioxid-Punktquellen wie Industriezentren und der Beobachtung von Meeresströmungen dienen.

GOSAT-2 wurde entwickelt, um die erste GOSAT-Mission hinsichtlich ihrer Genauigkeit und höheren räumlichen Auflösung zu verbessern. Die Zielvorgabe für die Messgenauigkeit der Kohlendioxidkonzentration, die in dieser Missionsanforderung definiert ist, beträgt 0,5 ppm bei einer räumlichen Auflösung von 500 km und 2000 km über dem Land bzw. dem Ozean und einem 1-Monats-Mittelwert. Dies ist eine große Verbesserung, wenn man bedenkt, dass die GOSAT-Anforderung bei 4 ppm über dem Subkontinent für einen 3-Monats-Mittelwert lag. Die Sensorik nimmt alle drei Tage den gleichen Bereich der Erde auf. Der Satellit besitzt eine geplante Lebensdauer von 5 Jahren.

Der dreiachsenstabilisierte GOSAT-2 verfügt über TANSO-FTS2 und TANSO-CAI2, die von GOSAT übernommen wurden und die Leistung und die Möglichkeiten erweitern. Die wichtigsten erweiterten und verbesserten Punkte sind die Hinzufügung eines CO-Beobachtungsbandes für FTS und eines Gitterspektrometers für das UV-Band für CAI. Ein UV-Band wurde hinzugefügt, um die Aerosol-Ergebnisse zu verbessern, insbesondere für die pm2,5-Schätzung und die Messung von schwarzem Kohlenstoff.

TANSO-FTS-2 (Thermal and Near-infrared Sensor for Carbon Observation-Fourier Transform Spectrometer-2) ist ein 5-Band Interferometer (drei Bänder im nahen Infrarot und zwei im thermischen Infrarot), das gleichzeitig die Polarisation in verschiedenen Ebenen bestimmen kann und von der Harris Corporation auf Basis ihrer Cross-track Infrared Sounder (CrIS) Technologie gebaut. Es soll die Verteilung von Treibhausgasen bestimmen. Band 1 (0,755 – 0,772 µm) dient der Bestimmung des Sauerstoffgehaltes, Band 2 (1,563 – 1,695 µm) der Bestimmung von Kohlendioxid und Methan, Band 3 (1,923 – 2,381) der Bestimmung von Kohlendioxid, der Luftfeuchtigkeit und Kohlenmonoxid, Band 4 (5,56 – 8,45) von Methan und Luftfeuchtigkeit und Band 5 (8,45 – 14,29 µm) der Ermittlung von Kohlendioxid und des Temperaturprofils der Atmosphäre. Der Sensor ist in der Lage Kohlendioxidkonzentrationen bis zu 0,5 ppm und Methankonzentrationen bis zu 5 ppm nachzuweisen. Mit Hilfe von Kameras wird der Sensor jeweils so ausgerichtet, dass jeweils wolkenfreie Bereiche untersucht werden.

TANSO-CAI-2 (Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observations - Cloud and Aerosol Imager - 2) besteht aus einem Mehrkanal-Radiometern (0,3 bis 1,7 µm) mit einer Auflösung von bis zu 500 m und einer Schwadbreite von 1000 km, der Aerosole und Wolken visuell zu beobachten. Das Instrument nimmt gleichzeitig einen Streifen 20° vor und hinter der Flugrichtung des Satelliten auf.

Im Mai 2019 wurde bekannt, dass EUMETSAT und JAXA für künftige Messungen kooperieren werden. Das entsprechende Abkommen sieht vor, GOSAT- und GOSAT-2-Daten mit den Messungen des Infrarot-Interferometers zur Sondierung der Atmosphäre (IASI) zu vergleichen, das auf den drei Metop-Satelliten von EUMETSAT eingesetzt wird. EUMETSAT wird seinen Nutzern - insbesondere dem Copernicus Dienst zur Überwachung der Atmosphäre (CAMS) - die Daten einer Reihe von GOSAT-Satelliten zur Verfügung stellen können.

Siehe auch CarbonSat, MicroCarb, OCO-2, TanSat

Weitere Informationen:

• GOSAT-Homepage (JAXA)
• GOSAT (Greenhouse gases Observing Satellite) / Ibuki (eoPortal Directory)
• GOSAT-2 (NIES)
• GOSAT-2 (Greenhouse gases Observing Satellite-2) / Ibuki-2 (eoPortal Directory)

GPM

Engl. Akronym für The Global Precipitation Measurement; auf dem Erfolg der TRMM-Mission aufbauende Mission aus einem internationalen Netzwerk von Satelliten, die die neueste Instrumentengeneration zur globalen Regen- und Schneebeobachtung zum Einsatz bringt. Das GPM-Konzept ist um einen 'Kern'-Satelliten (GPM Core Observatory) von NASA/JAXA herum strukturiert, der ein neuartiges abbildendes Radar- und Radiometer-System trägt, und der als Referenz für weitere Forschungs- und operationelle Satelliten von CNES, ISRO, NOAA und EUMETSAT dient, um die Niederschlagsmessungen möglichst einheitlich zu machen. GPM ist Teil des NASA-Programms Earth Systematic Missions und soll mit seinen Beobachtungen nahezu die ganze Erde abdecken. Der Start des GPM Core Observatory erfolgte am 27.2.2014 vom japanischen Tanegashima Space Center mit einer H-IIA-Trägerrakete.

Der Satellit fliegt in einer Höhe von 407 km auf einer nicht-sonnensynchronen, um 65 ° gegenüber dem ß╡quator geneigten Umlaufbahn, wobei er die Atmosphäre zwischen dem Nord- und dem Südpolarkreis beobachtet.

GPM Core Observatory - Komponenten Der Kernsatellit misst Regen und Schnee mit zwei wissenschaftlichen Instrumenten: dem GPM-Mikrowellen-Imager (GMI) und dem Zweifrequenz-Niederschlagsradar (DPR). Das GMI erfasst Niederschlagsintensitäten und horizontale Muster, während das DPR Einblicke in die dreidimensionale Struktur der Niederschlagsteilchen gibt. Zusammen liefern diese beiden Instrumente eine Datenbasis von Messungen, mit denen die Mikrowellenbeobachtungen anderer Partnersatelliten sinnvoll verglichen und zu einem globalen Niederschlagsdatensatz kombiniert werden können. Quelle: NASA

Die Mission TRMM hat den Nutzen von Messungen aus nicht-sonnensynchronen Orbits zu verschiedenen Tageszeiten aufgezeigt. Sie ergänzen Beobachtungen von polumlaufenden Satelliten mit festen Zeiten, was die echtzeitnahe Überwachung von Hurrikanen verbessert und auch die genauere Abschätzung der Regenmengen. Eine der wichtigsten Neuerungen bei den GPM-Daten ist die breitere globale Abdeckung. Während TRMM Daten in den Tropen und Subtropen etwa zwischen 35° N und 35° S aufnahm, sammelt GPM Daten etwa zwischen 65° N und 65° S. Damit erheben die Instrumente von GPM Daten von Stürmen, die sich in den Tropen entwickeln und anschließend in mittlere und hohe Breiten ziehen.

Weitere Verbesserungen des Satelliten GPM Core Observatory gegenüber TRMM betreffen die Sensoren selbst. GPM besitzt zwar nur zwei Instrumente gegenüber fünf auf dem früheren TRMM, sie gehören aber zu den modernsten Geräten, die bisher für die Niederschlagsbeobachtung aus dem All zum Einsatz kommen. Es sind eine Mikrowellenkamera (GPM Microwave Imager = GMI) und ein Dualfrequenz-Radarmessgerät (Dual-frequency Precipitation Radar = DPR).

Das GMI arbeitet in 13 Kanälen von 10 GHz bis 183 GHz, ist mit einer 1,2 m Antenne ausgerüstet und besitzt eine Schwadbreite von 904 km. Das DPR liefert dreidimensionale Informationen über Ausfällung von Teilchen (Regen- und Schneefälle) über die durch diese Teilchen reflektierte Energie in verschiedenen Höhen innerhalb der Wolke. Die Verwendung von zwei Frequenzen erlaubt es dem Radar, auf die Größen der Niederschlagspartikel zu schließen und bieten so Einblicke in die physikalischen Eigenschaften eines Sturms. Die Abtastung im Ka-Frequenzband (35,5 GHz) zur Messung von Starkniederschlag überstreicht auf der Erdoberfläche einen Bereich von 125 km Breite und liegt innerhalb der Abtastung der Ku-Band-Frequenz (13,6 GHz) zur Messung von gefrorenem Niederschlag und leichtem Regen von 254 km Breite.

Das GMI erfasst Niederschlagsintensitäten und horizontalen Muster, während das DPR Einblicke in die dreidimensionale Struktur von Partikeln bietet. Zusammen bilden diese beiden Instrumente Messdaten, die mit Beobachtungen im Mikrowellenbereich von anderen Satelliten verglichen und kombiniert werden können, um einen Datensatz des globalen Niederschlags zu erhalten.

Mit Hilfe von GPM sollen Modelle zur numerischen Wettervorhersage, Klimamodelle sowie die Möglichkeiten zur Vorhersage von Hochwässern, katastrophalen Dürren und die Abschätzung von Süßwasserverfügbarkeit verbessert werden. Die Durchführung der Mission erfordert den Einsatz mehrerer Satelliten mit passiven und aktiven Mikrowelleninstrumenten.

Global Precipitation Measurement (GPM) Konstellations-Architektur Die Mission zur globalen Niederschlagsmessung (GPM) weitet die 2015 beendete TRMM-Mission aus durch die Lieferung von Daten aus höheren geographischen Breiten. GPM ist in der Lage, Regenmengen im Bereich von 0,25 bis 100 mm / h zu messen. Das Ziel von GPM ist es, über 80 % der Erdoberfläche mit einer Wiederholrate von 3 Stunden zu besuchen und die Daten den Nutzern innerhalb von drei Stunden verfügbar zu machen. GPM besteht aus einem Kernsatelliten mit einem Zweikanal-Niederschlagsradar und einem Mikrowelleninstrument sowie einer Konstellation von mehreren polarumlaufenden Satelliten mit passiven Mikrowellensensoren. Deren Niederschlagsschätzungen werden mit den Daten des Kernsatelliten abgeglichen. Quelle: NASA

Zwar liefern TRMM und GPM seit 1997 kontinuierlich Niederschlagsdaten, einschließlich der kurzen Zeit, in der beide Missionen gleichzeitig Daten sammelten, es handelt sich aber um zwei unterschiedliche Missionen, die verschiedene Algorithmen für ihre Datenkollektionen benutzen. Um Langzeitstudien auf der Grundlage dieser Datensätze zu erleichtern, entwickelte das amerikanische GPM-Team das sog. Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM (IMERG) mit einer integrierten und standardisierten Datensammlung.

Weitere Informationen:

• GPM -Startseite (NASA GSFC)
• Precipitation Measurement Missions - Startseite (NASA GSFC)
• GPM (Global Precipitation Measurement) Mission (eoPortal Directory)
• Global Precipitation Measurement Mission Core spacecraft (CEOS EO Handbook)
• GPM Core Observatory: Advancing Precipitation Instruments and Expanding Coverage (Heather Hanson und Ellen Gray, NASA / GSFC)
• Global Precipitation Measurement - Core Observatory (NASA)

GPS

Siehe Global Positioning System

GRACE

Engl. Akronym für Gravity Recovery and Climate Experiment; gemeinsame Mission von DLR und NASA mit Hilfe von 2 baugleichen Kleinsatelliten zur Bestimmung des irdischen Schwerefeldes und zur Beschreibung von Austauschvorgängen zwischen Land, Ozean und Atmosphäre als Nachfolgeprojekt zu CHAMP. Erreicht wird dieses Ziel über eine deutlich verbesserte Darstellung des Geoids, jener imaginären Fläche, die ein im Ruhezustand (Ausschluss von Ozeanströmungen, Winden, Tiden) befindlicher, die gesamte Erde vollständig bedeckender Weltozean unter Einfluss der Schwerkraft besäße. Diese Fläche ist als Normal-Null geläufig. Sie variiert global um ±100 m.

Schwerkraftanomalie (mGal*)

Karte des Gravitationsfeldes aufgrund jahrzehntelanger Messungen Vor GRACE wurde das Schwerefeld der Erde anhand von Messungen unterschiedlicher Qualität von verschiedenen Satelliten und mit unvollständiger Abdeckung bestimmt. Folglich waren die Genauigkeit und die Auflösung des Schwerefelds begrenzt. Wie in der Abbildung links dargestellt, waren die langwelligen Komponenten des Schwerefelds, die aus der Satellitenverfolgung ermittelt wurden, auf eine Auflösung von etwa 700 km beschränkt. Bei kürzeren Wellenlängen waren die Fehler zu groß, um nützlich zu sein. Es konnten nur grobe geophysikalische Merkmale der Erdstruktur erkannt werden. *Einheit zur Beschreibung von Schwerkraftvariationen über der Erdoberfläche. 1 milligal (mGal) = 0,00001 m/s², was mit der gesamten Schwerkraft an der Erdoberfläche von 9,8 m/s² vergleichbar ist.

Schwerkraftanomalie (mGal*)

Vorläufige Karte des Gravitationsfeldes aufgrund von Grace-Daten über 111 Messtage Im Gegensatz dazu hat GRACE selbst genaue Schwerkraftinformationen mit einer Auflösung von 200 km geliefert. Jetzt sind viel mehr Details in den geophysikalischen Merkmalen der Erde deutlich erkennbar. Zu den von GRACE entdeckten hochauflösenden Merkmalen, die für geophysikalische Phänomene repräsentativ sind, gehören die Tonga/Kermadec-Region (eine Zone, in der sich eine tektonische Platte unter eine andere schiebt), die Himalaya/Tibet-Plateau-Region (ein Gebiet, in dem es aufgrund kollidierender Platten zu einer Hebung kommt) und der mittelatlantische Rücken (ein aktives Spreizungszentrum in der Mitte des Atlantiks, in dem neue Kruste gebildet wird). Es wird erwartet, dass zukünftige GRACE-Schwerefeldmodelle die Auflösung weiter erhöhen werden. Die zweite Abbildung bestätigt, dass die Grace-Daten global, homogen und sehr genau sind. Dies sind alles Eigenschaften, die für die Entwicklung von Schwerkraftmodellen angestrebt wurden. Quelle: NASA

Wie CHAMP wurden die im März 2002 im russischen Plessetsk gestarteten Zwillingssatelliten von Astrium (heute Airbus Defence and Space), Immenstaad, gebaut. Die wissenschaftliche Auswertung obliegt auf deutscher Seite dem GFZ Potsdam. Die beiden in 485 km Höhe mit einem Abstand von 220 km auf gleichem, nicht-sonnensynchronen Orbit hintereinander her fliegenden Grace-Satelliten besitzen eine Inklination von 89° und eine Umlaufzeit von 94 Minuten. Sie reagieren empfindlich auf kleinste Änderungen in der Gravitationsbeschleunigung, wie sie durch die räumliche Verteilung der unterschiedlichen Massen verursacht werden. Kommt beispielsweise der "vorausfliegende" Satellit in einen Bereich erhöhter Schwerkraft, wird er beschleunigt und der Abstand zu dem zweiten Satelliten nimmt zu. Gerät auch der zweite Satellit in den Bereich stärkerer Schwerkraft, während der erste bereits aus ihm "herausklettert", verringert sich die Distanz wieder. Diese Änderungen werden über eine hochgenaue Distanzmessung zwischen den beiden Satelliten bestimmt.

Als Folge können mit den Grace-Daten klimatisch bedingte Massenumlagerungen erkannt werden, Prozesse, die bisher messtechnisch unzugänglich waren. Beispielsweise wurde mit ihnen das Muster der jahreszeitlichen Veränderungen im Wasserbudget der Kontinente erfasst. Ihre Analyse zeigt, dass die größten saisonalen Schwankungen in den Einzugsgebieten der großen tropischen und sibirischen Flüsse auftreten, beispielsweise Amazonas, Kongo, Ganges sowie Ob und Lena. Ferner können auf dieser Grundlage großräumige klimatologische Modelle der globalen und kontinentalen Wasserbilanz verbessert werden.

Herstellung der GRACE-Zwillinge bei Astrium (heute Airbus D&S) Die beiden Satelliten wurden im Auftrag der NASA bei Astrium in Friedrichshafen gebaut und sollen mindestens fünf Jahre lang wissenschaftliche Daten zur Erde senden. Die Auswertung der Daten erfolgt unter anderem beim GeoForschungsZentrum in Potsdam, während die Flugkontrolle während der gesamten Missionsdauer vom Deutschen Raumfahrt-Kontrollzentrum in Oberpfaffenhofen (Bayern) aus erfolgt. Quelle: University of Texas CSR

GRACE-Zwillinge bei der Trennung von der Breeze-Raketenoberstufe Die beiden Satelliten mit den Spitznamen "Tom" und "Jerry" wurden etwa 85 Minuten nach dem Start von der Breeze-KM-Oberstufe abgesetzt. Die Satelliten, die sich in einer Höhe von etwa 300 Meilen befinden, wurden für den Beginn ihrer Tandem-Mission auf einen Abstand von etwa 137 Meilen zueinander manövriert. Quelle: NASA

GRACE-Zwillinge im Tandemflug Die Massenanziehung beeinflusst die Bahn der Satelliten und ihre Geschwindigkeit. Da beide auf gleicher Bahn hintereinander herfliegen, wird der vorausfliegende jeweils ein wenig früher beeinflusst. Dadurch ändert sich ihr Abstand minimal. Eine Mikrowellen-Verbindung zwischen den beiden Satelliten erlaubt es, diesen Abstand auf Haaresbreite genau zu vermessen. Daraus lassen sich genaue Rückschlüsse über die Massenverteilung auf der Erde und ihre Veränderungen ziehen. Mit GRACE werden monatlich alle Kontinente "gewogen". Hierbei bestimmt man unter anderem das Ausmaß der Polkappen-Schmelze, den großflächigen Rückgang von Grundwasser-Reservoirs und liefert wichtig Information zur Abschätzung des Meeresspiegel-Anstiegs. Quelle: DLR

Messungen der Massenbilanz ermöglichen auch das Monitoring der festländischen Eismassen, deren Veränderungen eine wesentliche Bedeutung für das Niveau des Meeresspiegels haben. Grönland z.B. hat von 2002 bis 2005 pro Jahr durchschnittlich 162 km³ Eis verloren. Im gleichen Zeitraum ist die Eisdecke der Antarktis um 150 km³ geschrumpft. Diese letzte Angabe widerspricht den weniger präzisen Radar-Messungen von ERS-2 und ENVISAT.

Eismassenverlust in Grönland Die Grafik links zeigt den Eismassenverlust in Grönland, wie er mit GRACE im Zeitraum von 2002-2005 gemessen wurde. Die Angaben sind in km³/Jahr. Der beobachtete Eismassenverlust trägt mit ca. 0,4 mm/a zum weltweiten Meeresspiegelanstieg bei. Quellen: NASA

Potsdamer Kartoffel Geoid 2011, Datenbasis: Satelliten LAGEOS, GRACE und GOCE und Oberflächendaten (Fluggravimetrie und Satelliten-Altimetrie), weitere langjährige Datenreihen Die als „Potsdamer Schwerekartoffel“ bekannt gewordene Darstellung der irdischen Anziehungskraft erlaubt jetzt erstmals die Darstellung zeitlich veränderlicher Schweregrößen. Die jahreszeitlichen Schwankungen des Wasserhaushalts der Kontinente oder abschmelzende oder zunehmende Eismassen, also klimarelevante Größen, gehen jetzt in die Modellierung des Erdschwerefeldes ein. Quellen: GFZ Potsdam

Das Abschmelzen der grönländischen und antarktischen Eisschilde hat sich in den vergangenen Jahren zwar beschleunigt, dennoch ist es wissenschaftlich gesehen zumindest für Grönland noch zu früh, sicher von einem langfristigen Trend zu sprechen. Nach einer Studie der University of Colorado in Boulder und des GFZ Potsdam, die auf der Auswertung von Grace-Daten über neun Jahre hinweg beruht, zeigt sich, dass sich das Abschmelzen der Eispanzer während dieser Zeit im Schnitt fast verdoppelt hat – zusammen kommt man auf derzeit etwa 300 Milliarden Tonnen pro Jahr. Die Ursachen dieses beschleunigten Eismassenschwunds geben den Wissenschaftlern weiterhin Fragen auf: Neben der anthropogen bedingten Erwärmung werden die Eisschilde durch eine Vielzahl natürlicher Prozesse beeinflusst, wie z.B. Variationen im Schneefall und langsame Veränderungen der Meeresströmungen.
Aufgrund des für Klimaprognosen kurzen Beobachtungszeitraums, können Vorhersagen des Meeresspiegelbeitrags beider Eischilde bis zum Jahr 2100 um mehr als 35 cm zu hoch oder zu niedrig sein.

Eismassen und Isostasie Rate der Geoidhöhenänderung über Nordamerika durch glazialisostaische Anpassung und Eismassenverluste in Grönland und Alaska beobachtet mit GRACE zwischen August 2002 und August 2011. Die glazialisostatische Anpassung beschreibt den Deformation der Erde durch die Eispanzer der letzten Eiszeit. Heute fließt verdrängtes Mantelmaterial zurück in die Gebiete früherer Vereisung (Zunahme der Geoidhöhe; rot). Die Eismassenverluste (Abnahme der Geoidhöhe; blau) in Alaska und Grönland sind zum großen Teil eine direkte Antwort auf die rezente Erwärmung der Polargebiete. Quelle: GFZ Potsdam

Seit der Verfügbarkeit von GRACE-Messungen können die thermischen und massebedingten Beiträge zum Meeresspiegelanstieg mit höherer Genauigkeit voneinander getrennt werden. So ergibt einen Analyse, dass die beobachteten Meeresspiegelveränderungen zwischen 2005 und 2012 größtenteils durch Massenveränderungen der Ozeane verursacht wurden. Der Beitrag thermischer Veränderungen der Ozeane erscheint dagegen vergleichsweise gering.

Die beiden Satelliten waren für eine Lebensdauer von fünf Jahren ausgelegt. Nach über zehn Jahren in der Umlaufbahn altern jedoch die Bauteile, so können die Satelliten beispielsweise auf der Nachtseite der Erde keine Daten mehr aufnehmen, weil ohne Sonneneinstrahlung die Batterien dazu nicht genügend Energie liefern können.
Ihr kontrollierter Absturz erfolgte im Dezember 2017 und im Januar 2018. Die Nachfolgemission GRACE-FO startete im Mai 2018. Die Fertigung der beiden Satelliten erfolgte wiederum bei Airbus Defence and Space.

Weitere Informationen:

• GRACE Brochure (NASA, GSFC)
• Grace - Eine Schwerefeld- und Klimamission (GFZ Potsdam)
• Die Wasserspeicher Mitteleuropas – beobachtet aus dem Weltall (M. Schmidt, F. Seitz, (DGFI 2008)
• GRACE Satellites Unlock Secret to Northern India's Vanishing Water (NASA)
• „Schwerkraft ist Klima“ – Zehn Jahre Klimaforschungssatelliten GRACE (GFZ Potsdam)
• Vermessung des Erdschwerefeld mit Satelliten. (Ch. Förste, System Erde. GFZ-Journal 1/2013)
• The Gravity of Water (NASA Earth Observatory 2012)
• GRACE - Startseite DLR)
• GRACE - Startseite (University of Texas CSR)
• GRACE - Video and Computer Animations (University of Texas CSR)
• GRACE Project (GFZ)
• GRACE (eoPortal Directory)
• GRACE-FO (eoPortal Directory)
• GRACE Follow-On (NASA)
• Beobachtung von Massentransporten im System Erde mit GRACE und GRACE-FO (GFZ)
• Ozeanographische Anwendungen der GRACE-Mission (GFZ)

GRACE-FO

Engl. Akronym für Gravity Recovery and Climate Experiment-Follow-On; Folgemission eines Satellitentandems zur im Oktober 2017 beendeten GRACE Mission mit dem Ziel der Generierung hochauflösender Modelle des statischen und zeitvariablen Erdschwerefeldes. Der Start erfolgte am 22. Mai 2018 mit einer Falcon-9-Rakete der Firma SpaceX. An Bord waren außerdem fünf Satelliten für das Kommunikationsnetz Iridium. Die geplante Missionsdauer von GRACE-FO beträgt zunächst fünf Jahre, die bereits im Mai 2023 erreicht. Die endgültige Lebenszeit hängt von zwei Faktoren ab: vom weiteren Verlauf der Sonnenaktivität und dem damit verbundenen Treibstoffverbrauch bzw. der Abnahme der Satellitenbahnhöhe, aber auch vom Zustand der Satelliten und Instrumente selbst.  .

GRACE-FO nutzt im Prinzip die gleiche Technik wie die GRACE Mission - sorgfältige Messung der Abstandes zwischen zwei im gleichen Orbit hintereinander fliegenden Zwillingssatelliten mittels Mikrowellen-Funkstrecke. Damit werden Auflösungen im μm-Bereich (millionstel Meter) erreicht. Zusätzlich trägt jeder Satellit einen geodätischen GNSS-Empfänger, einen Laser Retro-Reflektor (LRR) und ein hochgenaues Akzelerometer zur genauen Bahnbestimmung. Zusätzlich wird ein Laser zur Abstandsmessung eingesetzt.

Die beiden rund zwei mal drei Meter großen Satelliten fliegen in 490 km Höhe in einem Abstand von 220 km hintereinander her und umkreisen die Erde auf einer polaren Umlaufbahn innerhalb von 90 min. Überfliegt der vorausfliegende GRACE-Satellit eine Region mit erhöhter Schwerkraft, so wird er davon ein wenig stärker angezogen als der ihm nachfolgende Satellit. Dadurch ändert sich ihr nomineller Abstand minimal, eben aufgrund unterschiedlicher Massenverteilungen auf der Erde. Aus der fortlaufenden Messung ihres Abstandes lässt sich dann das lokale Schwerefeld berechnen. Die Unterschiede können durch Berge, Grundwasser, Gletscher u.v.m. verursacht werden. Durch die Messung von Änderungen dieser Masseverteilung über einen längeren Zeitraum können z.B. Aussagen über Klimaänderungen oder Änderungen der Grundwasservorräte gemacht werden. Außerdem erstellt jeder der beiden Satelliten täglich bis zu 200 Profile der Temperaturverteilung und des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre und der Ionosphäre zur Verbesserung der Wettervorhersage.

GRACE-FO Ein vereinfachtes Beispiel dafür, wie sich der Abstand zwischen den GRACE-FO-Satelliten ändert, wenn sie von der Karibik über Kolumbien und Peru (die eine größere Masse als die Ozeane haben) zum Pazifik fliegen. Tafel 1: Wenn sich beide Satelliten über dem Ozean befinden, ist der Abstand zwischen ihnen relativ konstant. Tafel 2: Wenn die vordere Sonde auf Land trifft, wird sie durch die höhere Schwerkraft des Landes von der hinteren Sonde weggezogen, die sich noch über dem Wasser befindet. Tafel 3: Sobald der zweite Satellit ebenfalls auf das Land trifft, wird auch er in Richtung der höheren Masse und damit in Richtung der führenden Sonde gezogen. Während sich die führende Sonde an der dichteren Landmasse vorbeibewegt, wird sie durch die höhere Schwerkraft des Landes leicht zurückgezogen. Tafel 4: Wenn sich beide Raumfahrzeuge wieder über dem Wasser befinden, wird das nachfolgende Raumfahrzeug durch das Land abgebremst, bevor es wieder seinen ursprünglichen Abstand hinter dem führenden Raumfahrzeug einnimmt. Quelle: NASA

Die wesentlichen Missionsziele sind:

1. Die Weiterführung der Datenerfassung zur genauen Bestimmung des Erdschwerefeldes und dessen Veränderungen (Primärziel).
   Dementsprechend soll GRACE-FO, präzise globale und hochauflösende Modelle des statischen und zeitvariablen Erdschwerefeldes bestimmen. Wie in der GRACE-Mission, basiert dies auf hochgenauen Beobachtungen des Abstandes zwischen den beiden Zwillingssatelliten, die auf einem koplanaren, niedrigen und polaren Orbit fliegen, mit Hilfe eines K/Ka-Band Mikrowelleninstruments.
2. Die erstmalige Erprobung eines Laser-Ranging-Instruments (LRI) zur laserbasierten Abstandsmessung zwischen zwei Satelliten im Weltall (Sekundärziel).
   Das Laser Ranging Interferometer wird wie das K/Ka-Band Instrument, allerdings wesentlich genauer, die Abstandsänderungen zwischen den beiden Satelliten vermessen und dient damit der Vorbereitung zukünftiger GRACE-ähnlicher Missionen. Die Messgenauigkeit erhöht sich weil die Wellenlänge des Laserlichts kleiner als die der Mikrowellenstrahlung ist. Die Genauigkeit der Lasermessung wird so 20-mal besser sein als die per Mikrowellen.
   Ein weiteres untergeordnetes Ziel ist die Fortsetzung der GRACE Radiookkultationsmessungen.

Die rund 440 Millionen Euro teure Mission wird unter der Leitung der NASA Earth Science Division (ESD) innerhalb des NASA Science Mission Directorate (SMD) und des Earth Systematic Missions Program Office am Goddard Space Flight Center (GSFC) durchgeführt. Dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) wurde dabei die Verantwortung für die Realisierung des GRACE-FO Projekts übertragen.

Daneben besitzt die GRACE-FO Mission signifikante deutsche Beiträge, die vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) geleitet werden. Diese werden gemeinsam finanziert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), die Helmholtz-Gemeinschaft (HGF), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) (Beistellungen zum LRI) und das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ). Deutschland trägt rund 78 Millionen Euro der Kosten.

Im Auftrag des Jet Propulsion Laboratory der NASA wurden die beiden je 655 Kilogramm schweren GRACE-FO-Satelliten erneut von Airbus D&S in Immenstaad am Bodensee gebaut. Der Missionsbetrieb erfolgt durch das Raumfahrtkontrollzentrum des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR/GSOC) im Auftrag des GFZ.

GRACE-C

Die Beobachtung des globalen Wasserhaushalts durch die internationale Nutzergemeinschaft ist für die zukünftige Klimapolitik sehr wichtig. Die dafür benötigten Datensätze müssen langfristig erhoben werden, aber auch die zeitliche und räumliche Auflösung wird sich abhängig von der verfügbaren Technik weiter verbessern. 

Das Erheben der Daten sollte möglichst über mindestens drei Dekaden erfolgen, damit man zuverlässige Statistiken und ein besseres Verständnis der Wechselwirkung zwischen anthropogenem Klimawandel und natürlichen Klimazyklen bekommt.

NASA, DLR und das GFZ realisieren dazu gemeinsam mit der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) eine GRACE-FO-Nachfolgemission „GRACE-C", die 2028 gestartet werden soll. Die ESA plant für 2032 eine Next Generation Gravity Mission, die in Kombination mit GRACE-C die Doppelpaar-Mission „MAss-change and Geosciences International Constellation (MAGIC)“ für eine erhöhte Auflösung bilden wird.

Die NASA wird, wie bei GRACE-FO, wieder die elektronischen Bauteile des LRI (Laser Ranging Interferometer), die beiden Beschleunigungsmesser sowie Teile der wissenschaftlichen Auswertung bereit stellen. Der Bau der beiden Satelliten wird erneut durch Airbus im Auftrag von JPL/NASA in Deutschland erfolgen. Dadurch ergibt sich nicht nur eine finanzielle „win-win Situation“ für Deutschland, vielmehr sind durch den Nachbau eines erfolgreich betriebenen Missionskonzeptes eventuelle technische, finanzielle und terminliche Schwierigkeiten begrenzt.

Alle GRACE-Einzelpaarmissionen haben den Nachteil, dass die zeitliche Auflösung auf einen Monat und die räumliche Auflösung auf ca. 300 km beschränkt und damit für viele Anwendungen im konkreten Fall relativ ungenau ist. Massentransporte können auch nicht immer eindeutig einem bestimmten Gebiet zugeordnet werden, was nachträglich bei der Datenberechnung korrigiert werden muss. 

Um diese Nachteile des Messprinzips von GRACE-C zu reduzieren, plant die ESA zusätzlich die sogenannte Next Generation Gravity Mission (NGGM). Diese neue Satellitenmission soll die Erde ab etwa 2032 auf einer geneigten Bahn (65–70 Grad Bahnneigung gegenüber dem Äquator) und tiefer (ca. 400 km) als deren Vorgänger umkreisen. Die Beobachtung der nicht-gravitativen Störkräfte soll zusätzlich durch einen etwa zehnmal genaueren Beschleunigungsmesser verbessert werden. Die Kombination beider Doppelpaarmissionen wird die geschilderten Nachteile eines Einzelpaares deutlich reduzieren, so dass zahlreiche neue geophysikalische Anwendungsszenarien realistisch sind. 

Weitere Informationen:

• GRACE-FO (NASA JPL)
• GRACE-FO Will Help Monitor Droughts (NASA JPL)
• Five Things You Need to Know About GRACE-FO (NASA JPL))
• Gravity Recovery and Climate Experiment-Follow-On (GRACE-FO) Mission (GFZ Potsdam)
• GRACE-FO (eoPortal Directory)
• Beobachtung von Massentransporten im System Erde mit GRACE und GRACE-FO (GFZ)
• Taking a Measure of Sea Level Rise: Gravimetry (NASA Earth Observatory 2020)
• Satellitengestützte Messung des Erdschwerefelds (GFZ)

Gradiometer

Gerät z.B. zur Erfassung feiner vertikaler Änderungen des Erdmagnetfeldes. Mit zwei Sonden misst es die Stärke des anliegenden Magnetfeldes an zwei benachbarten Orten und bildet die Differenz beider Werte. Ein Messort liegt nah an der zu messenden Quelle, der andere ist weiter davon entfernt. Den Abstand beider Messpunkte voneinander bezeichnet man als Basislänge.

Auf GOCE befinden sich Gradiometer-ähnliche Geräte zur Messung des Gradienten des Erdschwerefeldes aus dem Orbit. Sie messen die Schweregradienten indirekt nach einer Differenzial-Methode ("Gravitationsgradiometrie"). Es sind hochpräzise Accelerometer (Beschleunigungsmesser), die auf ultra-stabilen Strukturen und Auslegern montiert werden und in der Umlaufbahn ununterbrochen alle 9 Werte des Schwere-Tensors messen sollen. Damit erhofft man sich eine Bestimmung des globalen Geoids mit mindestens cm-Genauigkeit und einer Auflösung von etwa 100 km. Aus den Messungen lassen sich mit hochkomplexen Algorithmen Schwerefeldanomalien und Ozeanströmungen extrahieren.

Gradiometrie

Gradiometrie ist die Messung von Schweregradienten. Die Analyse solcher horizontaler oder vertikaler Gradienten wurde theoretisch schon vor etwa 80 Jahren entwickelt, doch Messinstrumente hoher Präzision können erst in den letzten Jahren gebaut werden.

Die ersten terrestrischen Messungen erfolgten in den 1920ern mit der von Roland Eötvös erdachten und konstruierten Drehwaage; ihr Hauptzweck war die geophysikalische Prospektion von Lagerstätten. Die Messungen mit solchen langsam schwingenden Probemassen sind äußerst schwierig durchzuführen und zeitaufwändig, weshalb man bald statt Gradienten die Schwerkraft selbst zu messen begann.

Vor etwa 25 Jahren begann man die Entwicklung neuer, kreisel-gestützter Meßsysteme, um mit niedrig fliegenden Satelliten das Schwerefeld automatisch erfassen zu können. Wegen der technisch höchst anspruchsvollen Methodik war man allerdings erst Ende der 1990er erfolgreich.

Eines der wichtigsten dieser Projekte ist der Bau und späterer Betrieb des Satelliten GOCE, der seit etwa 1995 in Kooperation der Raumfahrtbehörden ESA und NASA entwickelt wurde. Seine Gradiometer bestehen aus hochpräzisen Beschleunigungsmessern. Damit erhofft man sich eine Bestimmung des globalen Geoids mit mindestens cm-Genauigkeit und einer Auflösung von etwa 100 km.

In Kombination mit anderen Messungen (v.a. Ortsbestimmung/GPS, Meeresspiegel/Satelliten-Altimetrie und Meeresoberflächen-temperatur/div. Verfahren) sind auch wichtige Beiträge zur Ozeanographie und anderen Geowissenschaften zu erwarten. Fast wichtiger als die Daten zum Geoid werden dessen langsame zeitliche Änderungen sein, die mit GOCE erstmals erfassbar werden.

GRAIL

Engl. Akronym für Gravity Recovery and Interior Laboratory; abgeschlossene Mondmission der NASA, die im Rahmen des Discovery-Programms durchgeführt wurde. GRAIL bestand aus zwei gemeinsam gestarteten Raumsonden (Grail-A und Grail-B), die zwischen Anfang 2012 undDezember 2012 den Mond umkreisten. Ziel der Mission war die genaue Vermessung des lunaren Schwerefelds und der Schwereanomalien, um daraus Aufschlüsse über den inneren Aufbau des Mondes zu gewinnen.

Beide Raumsonden kollidierten zum planmäßigen Missionsende am 17. Dezember 2012 mit einem unbenannten Berg zwischen Philolaus und Mouchez nahe dem Mondnordpol. Um 22:28:51 UTC schlug GRAIL A („Ebb“) zuerst auf der Mondoberfläche auf, etwa 30 Sekunden später folgte GRAIL B („Flow“). Der Ort des Einschlags beider Satelliten wurde von der NASA nach der verstorbenen Astronautin Sally Ride benannt.

GRAIL-Mondmission I Blick in den Reinraum der Astrotech Space Operation's payload processing facility in Titusville, Fla. Grail-A wird von ihrer Arbeitsbühne abgehoben und zum Adapterring auf der linken Seite transportiert, wo bereits die Zwillingssonde GRAIL-B verankert ist. Bei dieser Mission wurden zwei Raumsonden auf dieselbe Umlaufbahn um den Mond gebracht. Beim Überfliegen von Gebieten mit größerer und geringerer Schwerkraft bewegten sie sich leicht aufeinander zu und voneinander weg. Ein Instrument an Bord jeder Raumsonde hat die Änderungen ihrer relativen Geschwindigkeit sehr genau gemessen, und Wissenschaftler haben diese Informationen in eine hochauflösende Karte des Schwerefelds des Mondes umgesetzt. Diese Technik zur Messung der Schwerkraft ist im Wesentlichen die gleiche wie die des Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE), das die Schwerkraft der Erde kartiert hat.

GRAIL-Mondmission II Grafik mit den Flugbahnen von GRAIL-A und GRAIL-B zu Beginn und am Ende des Startfensters. Die energiesparenden Trajektorien verlassen die Erde Richtung Sonne und passierten den inneren Sonne-Erde Lagrange Punkt 1, bevor sie wieder zum Erde-Mond-System zurückkehrten. Die im September 2011gestarteten Sonden, flogen bis zum Ende ihrer Mission im Dezember 2012 auf einer nahezu kreisförmigen Umlaufbahn in der Nähe der Mondpole in einer Höhe von etwa 55 Kilometern. Der Abstand zwischen den Zwillingssonden änderte sich geringfügig, als sie über Bereiche mit größerer und geringerer Schwerkraft flogen, die durch sichtbare Merkmale wie Berge und Krater sowie durch unter der Mondoberfläche verborgene Massen verursacht wurden. Quelle: NASA

Die Mission wurde vom Jet Propulsion Laboratory geleitet. Die Sonden wurden von Lockheed Martin Space Systems basierend auf dem XSS 11-Satelliten gebaut. Die Stromversorgung erfolgte über zwei ausklappbare, aber nicht schwenkbare Solarmodule, die Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufladen. Zur Lageregelung dienten Warmgas-Steuerdüsen und Reaktionsschwungräder. Die Daten wurden über eine S-Band-Funkverbindung an das Deep Space Network (DSN) übertragen.

Die Sonden arbeiteten, wie die GRACE-Satelliten, nach dem SST-Prinzip (Satellite-to-Satellite Tracking): sie umrundeten den Mond auf derselben Bahn und maßen mit elektromagnetischen Wellen im Ka-Band kontinuierlich die gegenseitige Distanz. Dadurch ließen sich Unregelmäßigkeiten des Schwerefeldes mit hoher Präzision analysieren. Die gewonnenen Daten dienten der Erstellung einer hochauflösenden Karte des Gravitationsfeldes des Mondes.

Als zusätzliche Nutzlast, zu Bildungszwecken für Schüler, befanden sich auf jeder der beiden Sonden das Kamerasystem E/PO MoonKam mit jeweils fünf einzelnen Kameras, die Bilder von der Mondoberfläche, der Erde und den Sonden selbst übermittelten.

Nach dem Start erfolgte eine dreieinhalbmonatige Transferphase über den Lagrange-Punkt L1 des Erd-Sonne-Systems zum Mond, um die erforderliche Geschwindigkeitsänderung klein zu halten und andererseits die sehr niedrige Mondumlaufbahn von nur etwa 50 km Höhe möglichst exakt zu erreichen. Die Umlaufzeit der Sonden um den Mond betrug 113 Minuten. Auf dieser Höhe folgten die beiden Satelliten in etwa 175 - 225 km Abstand einander.

GRAIL-Mondmission III Durch die Anwendung eines hochgenauen Formationsflugs kartierten die Zwillingsraumsonden das Schwerkraftfeld des Mondes. Funksignale zwischen den beiden Raumfahrzeugen lieferten den Wissenschaftlern die benötigten genauen Messungen, ebenso wie den kontinuierlichen Informationsfluss, wenn sich die Raumfahrzeuge auf der erdabgewandten Seite befanden.

GRAIL-Mondmission IV Das Lunar Gravity Ranging System (LGRS) war die wissenschaftliche Nutzlast der GRAIL-Mondsonden. Das LGRS war verantwortlich für das Senden und Empfangen der Signale, die benötigt wurden um hochpräzise die Entfernungsänderungen zwischen den zwei Raumfahrzeugen zu messen. Quelle: NASA

Die eigentliche Wissenschaftsmission hatte eine Dauer von 90 Tagen. Diese war in drei Zyklen von je 27,3 Tagen gegliedert. Zweimal täglich standen die Sonden für je acht Stunden mit dem Deep Space Network (DSN) in Verbindung und übertrugen die Daten.
Nach der Wissenschaftsphase und einer Verlängerung erfolgte eine fünftägige Außerdienststellungsphase, nach der die beiden Satelliten etwa 40 Tage später auf dem Mond aufschlugen.

Weitere Informationen:

• About Grail (MIT u. a.)
• GRAIL (NASA)
• GRAIL (eoPortal Directory)
• Sonden-Duo soll Rätsel um zweiten Erdmond lösen (Spiegel online)
• Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) Launch (NASA Press Kit)

GRAS

Engl. Akronym für GNSS Receiver for Atmospheric Sounding; ein GPS-Empfänger an Bord der Satelliten MetOp 1, 2 und 3, der zur Atmosphärensondierung (Temperatur- und Feuchteprofile) eingesetzt wird. Die Daten finden Verwendung bei der Entwicklung von Modellen zur numerischen Wettervorhersage.

Weitere Informationen:

• MetOp Instruments (ESA)

Graustufenbild

Engl. greyscale image, franz. image à niveaux de gris; nach DIN 18716 "einkanalige Bilddaten", verbunden mit der Anmerkung: "Im allgemeinen Sprachgebrauch werden vor allem panchromatische Bilder als Graustufenbilder bezeichnet. Der Begriff sagt aber nichts über den bei der Aufnahme wirksamen Spektralbereich aus; deshalb kann auch ein Thermalbild oder ein Radarbild als Graustufenbild vorliegen".

Grauwert

Engl. grey value/level; die einem Bildpunkt (Pixel) zugeordnete Zahl, z.B. in Rasterdaten oder in der digitalen Bildverarbeitung. Die dabei verwendeten ganzzahligen positiven Zahlenwerte repräsentieren die Helligkeit eines Bildpunktes.

Je nach Anzahl der Bits, die ein Grauwert einnehmen kann, unterscheidet man Binärbild (1 Bit, Zustände 0 und 1), Grauwertbild (8 Bit, Zustände zwischen 0 und 255) und Farbbild (3x8 Bit mit jeweils Zuständen zwischen 0 und 255). Diesen Werten sind zur Darstellung auf einem Bildschirm Einträge einer Farbtabelle zugeordnet, d.h. die Werte werden als Indizes einer Farbtabelle interpretiert.

Durch die Scannersysteme werden für jeden Aufnahmekanal getrennte Zahlenmatrizen erfasst. Erst bei der Wiedergabe dieser Zahlenwerte über ein Ausgabegerät entstehen Bilder. So wird bei der Umsetzung der Zahlenwerte nur eines einzelnen Kanals ein Graustufenbild erzeugt, bei dem der Wert 0 der Farbe Schwarz, der Wert 255 der Farbe Weiß zugeordnet wird und die dazwischen liegenden Werte entsprechend abgestufte Grautöne erhalten. Daraus leitet sich der Begriff Grauwerte für die Zahlenwerte eines Kanals ab. Das entstehende Bild ist aber nicht mit einem Schwarz-Weiß-Bild in der Photographie vergleichbar.

Grauwertbild

Engl. grey value/level image; Bild belegt mit potentiell 256 verschiedenen diskreten Grauwerten. Über eine Farbtabelle mit RGB-Werten werden dem Grauwertbild die Graustufen oder aber auch Farben (unterschiedliche RGB-Anteile) zugeordnet.

Beispiele für Grauwertbilder sind:

- 1 Bit: gescannte Katasterkarte
- 8 Bit: gescanntes Schwarz-Weiß-Luftbild
- 24 Bit: gescanntes Farbluftbild.

Grauwertschattierung

Engl. tone; eine unterscheidbare Grauschattierung auf einem Bild zwischen Schwarz und Weiß.

Grauwertverteilung

Räumliche Verteilung der einzelnen Grauwerte im Bild, die zu charakteristischen Verteilungsmustern, sog. Texturen, im Bild führen. Die Oberflächenstrukturen sind im Bild nicht mehr wahrnehmbar, bewirken jedoch die charakteristischen Grauwertverteilungen.

In vielen Fällen nutzen Fernerkundungssysteme nur einen kleinen Teil des verfügbaren Grauwertspektrums aus. Daher sind Verarbeitungstechniken notwendig, die redundante oder störende Information unterdrücken, und dafür wichtige Bildinhalte deutlich hervorheben können. Diese Verfahren dienen der besseren visuellen Interpretierbarkeit, und basieren auf Übertragungs- oder Transferfunktionen.

Gravimetrie

Wissenschaft von den Verfahren und Geräten zur Ausmessung des Schwerefeldes der Erde, einschließlich der Weiterverarbeitung und z.T. auch der Analyse und Interpretation der Messwerte. Als Hilfswissenschaft dient die Gravimetrie z.B. der physikalischen Geodäsie, der Geophysik einschließlich der Lagerstättenerkundung, der Metrologie (Lehre von den Maßsystemen) sowie der Geologie. Je nach Ausdehnung und Anforderungen erfolgt sie als terrestrische, Flug-, See- oder Satellitengravimetrie.

Weitere Informationen:

• Five Things You Need to Know About GRACE-FO (NASA JPL))
• GRACE-FO (eoPortal Directory)
• Beobachtung von Massentransporten im System Erde mit GRACE und GRACE-FO (GFZ)
• Taking a Measure of Sea Level Rise: Gravimetry (NASA Earth Observatory 2020)

Gravitation

Universelle Wechselwirkungserscheinung der gegenseitigen Anziehung zwischen zwei beliebigen Massenpunkten. Das Newtonsche Gravitationsgesetz besagt, daß die auftretenden Gravitationskräfte (Anziehungs- oder Attraktionskräfte) dem Produkt der Massen m₁ und m₂ direkt und dem Quadrat des Abstandes r der Massenpunkte indirekt proportional sind. Die Proportionalitätskonstante G wird als Gravitationskonstante bezeichnet. Die Gravitation wirkt in der Verbindungslinie der beiden Massenpunkte. Betrachtet man das Gravitationsfeld eines Massenpunktes der (aktiven) schweren Masse M, so kann aus dem Gravitationsgesetz die Gravitationsfeldstärke in vektorieller Form als Feldfunktion dargestellt werden.

Die Gravitation ist im Weltraum allgegenwärtig. Sie besteht aus der Überlagerung der Gravitationsfelder aller vorhandener Massen im Universum. Sie kann weder abgeschirmt noch abgeschaltet werden. Da die Kraftwirkung mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, überwiegt in unserem Planetensystem die Gravitation der Sonne, die 750-mal mehr Masse enthält als alle anderen planetaren Körper zusammen. Nur in der unmittelbaren Umgebung der jeweiligen Körper überwiegt deren eigenes Gravitationsfeld.

Das Schwerefeld der Erde beträgt in der Höhe stabiler Umlaufbahnen, etwa 250 km, noch etwa 93 % des Wertes auf der Erdoberfläche. Schwerelosigkeit entsteht durch Kompensation des verbleibenden Schwereeinflusses durch die Trägheitskräfte der Bahnbewegung, die im Falle einer Umlaufbahn mit der Zentrifugalkraft zusammenfallen.

Ein für globale und regionale geophysikalische Phänomene, darunter auch globale Klimaindikatoren, wichtiges Feld wird durch die Gravitation beschrieben. Massen und Massenbewegungen im Erdinneren und auf der Erdoberfläche deformieren das sogenannte Geoid, die Fläche gleicher Schwere. Eine der größten Deformationen ist in Südindien zu erkennen. Die Abweichung von einem regelmäßigen Ellipsoid beträgt dort ca. 110 m.

Da sich die Bahnen von Erdsatelliten nach dem lokalen Schwerefeld ausrichten, erzeugen kleine Änderungen des Schwerefeldes auch minimale Änderungen der Satellitenbahn. Die hochgenaue Vermessung der Satellitenbahn (Orbitographie) ist also der Schlüssel zur Berechnung des Schwerefeldes. Als Messmethode steht hierfür z.B. das Laser-Tracking zur Verfügung. Am Satelliten befestigte Reflektoren spiegeln vom Boden ausgesandte Laserimpulse wieder zurück. Ein globales Netzwerk von Satellite Laser Tracking-Stationen (SLR) führt solche Messungen durch. Die Position und die Geschwindigkeit eines Satelliten werden aber auch durch eine Vielzahl weiterer Einflüsse - nicht zuletzt die verbleibende Atmosphäre auch in großer Höhe - bestimmt. Diese müssen bei der Herausrechnung des Schwerefeldes aus den Orbitmessungen berücksichtigt werden. Neben dem Laser-Tracking werden auch Mikrowellensignale und GPS-Positionsbestimmungen für eine genaue Vermessung des Orbits verwendet.

Umgekehrt geht die genaue Kenntnis des Schwerefeldes auch wieder in die Berechnung von Satellitenbahnen ein. Die hochgenaue Lagebestimmung und damit die genaue Verortung von Bildpunkten am Boden bei optischen Satelliten ist somit auch der Schwerefeldmessung zu verdanken. Aber auch klimatische Veränderungen, wie der ENSO-Effekt im Pazifik, pausen sich als differentielle Änderung des Schwerefeldes durch. Damit sind diese durch die Methoden der Satellitengeodäsie nachweisbar.

Gravitationsfeld

Anziehungsfeld von Anordnungen (aktiver) schwerer Massen. Das Gravitationsfeld wird durch die Gravitationsfeldstärke beschrieben.

Gravitationsfeldbestimmung mittels Satellitenmethoden

Teilgebiet der Satellitengeodäsie. Betrachtet man zunächst den Satelliten als Probemasse im Gravitationsfeld der Erde, so kann man die in der Bewegungsgleichung wirkenden Kräfte parametrisieren, z. B. durch eine Kugelfunktionsentwicklung des Gravitationspotentials. Unter Nutzung von Messungen (z. B. Entfernungen oder Entfernungsänderungen) können im Zuge einer differentiellen Bahnverbesserung die Parameter der Kugelfunktionsentwicklung als Unbekannte bestimmt werden. Als Messungen kommen dabei z. B. solche von der Erde zum Satelliten (SLR, GPS) oder auch zwischen Satelliten (SST) in Betracht. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, im Satelliten spezielle Meßgeräte mitzuführen, die Funktionale des Gravitationsfeldes entlang der Satellitenbahn messen. Das können einerseits Gradiometer sein, die die Komponenten des Gravitationstensors messen. Andererseits kann mittels Altimeter die Meereshöhe bestimmt werden, die eine Näherung des Geoids als Äquipotentialfläche des Schwerepotential der Erde darstellt.

Ground Control Point (GCP)

Engl. für ein leicht identifizierbares Objekt (Passpunkt) mit einer bekannten Lage, die verwendet wird, um einem Punkt auf einer Karte oder in einem Fernerkundungsbild eine geographische Referenz zu geben. Dies wird häufig verwendet bei der geometrischen Korrektur von räumlichen Datensätzen.

Ground Sample Distance (GSD)

Auch Ground Sampling Distance, zu dt. etwa Bodenabtastdistanz; in einem Digitalphoto der Erdoberfläche (z.B. Orthophoto), das von einem Luftfahrzeug oder einem Satelliten aufgenommen wurde, ist die GSD der Abstand zwischen den Zentren benachbarter Pixel, gemessen am Boden. Je größer der Wert der GSD eines Bildes ist, desto geringer ist die Bodenauflösung des Bildes und umso geringer ist die Erkennbarkeit von Details. Je niedriger diese Zahl ist, desto feiner ist das Detail, das aus dem Bild interpretiert werden kann. Die GSD ist abhängig von der Flughöhe: Je höher die Flughöhe, umso größer ist der GSD-Wert.

GSD ist ein Indikator für den durch ein Pixel dargestellten Bereich. Zum Beispiel bedeutet eine GSD von 2 cm/px, dass ein Pixel eine Grundfläche von 2 cm × 2 cm = 4 cm² ausmacht.

Die räumliche Auflösung eines Bildes ist einer der Schlüsselparameter, da sie sich auf die Detailgenauigkeit bezieht, die aus einer Szene abgerufen werden kann.

Bilder, die man der Auflösungskategorie "niedrige Auflösung" zurechnet, haben eine GSD größer als 300 m. Die mittlere Auflösung liegt zwischen 300 m und 30 m, die hohe Auflösung zwischen 30 und 5 m und die sehr hohe Auflösung (VHR) unter 5 m. Nach den Leistungen der in den letzten Jahren gestarteten kommerziellen Satelliten konnte eine neue "sehr sehr hohe" Auflösungskategorie für Auflösungen unter 1 m unterschieden werden. Die besten kommerziell verfügbaren Bilder haben eine räumliche Auflösung von 30 cm (z. B. WorldView-3).

Ground Sampling Distance In einer Digitalaufnahme der Erdoberfläche aus der Luft oder dem Weltraum bezeichnet GDS den Abstand zwischen den auf dem Boden gemessenen Pixelzentren. Die GSD ist abhängig von: Flughöhe Kamerabrennweite Kameraauflösung Quelle: YouTube

Siehe auch Boden(pixel)auflösung, räumliche Auflösung

ground track

Syn. flight line above ground, engl. für Flugweg über Grund; scheinbare Linie am Boden, die durch die Aneinanderreihung der Subsatellitenpunkte gebildet wird. Die Subsatellitenpunkte ergeben sich aus der Aneinanderreihung der Schnittpunkte von gedachten Linien zwischen Satellit und Erdmittelpunkt mit der Erdoberfläche. Die Linie entsteht durch die Erdrotation und die Bewegung des Satelliten auf seiner Bahn. Bei geostationären Satelliten ist der Flugweg über Grund auf einen Punkt auf dem Äquator reduziert.

Ground truth Daten

Syn. Feld-, Geländedaten, Geländeinformation, engl. ground truth data, franz.données de terrain; Beobachtungen, Messungen und gesammelte Informationen über den aktuellen Zustand im Gelände, die zur Stützung und Validierung der Klassifikation von durch Fernerkundung gewonnenen Bilddaten (Luftaufnahmen und Satellitenbildern) dienen. Damit stellen sie für die Bildverarbeitung wichtige Zusammenhänge zwischen Fernerkundungsdaten und den beobachteten Objekten her.

DIN 18716 definiert den Begriff: "durch Beobachtung oder Messung vor Ort gewonnene Informationen, die den aktuellen Zustand eines Objektes während der Datenaufnahme beschreiben und zur Auswertung herangezogen werden", verbunden mit der Anmerkung:

"Im Einzelnen kann es sich handeln um

• in-situ Messungen,
• Trainingsgebiete,
• Feldvergleiche."

Geländedaten sollten grundsätzlich zu der Zeit erfasst werden, zu der die Datenaufnahme durch Fernerkundung erfolgt. Tolerierbare Zeitunterschiede hängen von der jeweiligen Aufgabenstellung ab.

Ground truth-Daten können der Entwicklung, Kalibrierung und Bewertung von Sensoren dienen. Oft werden spektrale Eigenschaften mit Spektrometern gemessen, z.B. zur Bestimmung von optimalen Wellenlängen und Bandbreiten. Zusätzlich werden Daten zur Art des Objekts, dessen Zustand, über Rahmenbedingungen, Oberflächentemperatur usw. erhoben. Aufgabenabhängig werden auch weitere Informationen benötigt, wie Sonnenazimut und -höhe, Sonnenstrahlung, atmosphärische Trübung, Lufttemperatur, Feuchte, Windparameter, Bodenbedingungen, Tau, Niederschlag usw. benötigt.

Durch Ground-Truth-Daten ist es möglich, Fernerkundungsdaten präziser zu klassifizieren. Wenn man nur mit Fernerkundungsdaten arbeitet, können diese Daten mehrdeutig sein. Zum Beispiel könnte es Probleme bei der Unterscheidung von Mais-Feldern und Sonnenblumen-Feldern geben, weil beide in Fernerkundungsdatensätzen ähnliche Merkmalsausprägungen haben. Die aufgezeichneten Informationen lassen sich erst besser zuordnen, wenn man an einigen Stellen im Gelände Ground-Truth-Daten erhoben hat und mit diesen zusätzlichen Informationen die Fernerkundungsdaten besser klassifizieren kann.

Eine wichtige Methode zur Erhebung von Geländedaten sind die Trainingsgebiete zur überwachten Klassifizierung. Trainingsflächen für jede Klasse setzen die Identifizierung des Objektes voraus durch Ortserkundung, visuelle Interpretation von Luftbildern, Kartenauswertung, Durchsicht von Literatur und Statistiken usw.

Eine weitere Art von Geländedaten sind die Passpunkte zur geometrischen Korrektur der Fernerkundungsdaten.

Weitere Informationen:

• Den Globus im Blick und die Landschaft vor Augen (DLR-Magazin 140)

ground truthing

Engl. Bezeichnung für die Gesamtheit verschiedener Verfahren, mit denen Messinstrumente, die auf Satelliten die Erde umkreisen, kalibriert, mögliche zeitliche Veränderungen erkannt werden, und die Langzeitmessreihen über verschiedene Satelliten-Generationen ermöglichen. Siehe Feldvergleich

Weitere Informationen:

• Permanente Ground-Truthing-Station "Zugspitze/Garmisch" (IMK-IFU)

GVI

Engl. Akronym für Global Vegetation Index; globaler Vegetationsindex.