Lexikon der Fernerkundung

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Haiyang-1 (HY-1)

Die Haiyang-1 (HY-1)-Serie niedrig auflösender Ozeanfarben-Satelliten begann mit dem Start von HY-1A im Jahr 2002 auf einer CZ-4B-Rakete durch China. Auf HY-1A folgten HY-1B im Jahr 2007, HY-1C im Jahr 2018 und HY-1D im Jahr 2020. Die HY-1-Satelliten basieren auf der von der China Academy Academy of Space Technology-968-Plattformbus, der von der Hangtian Dongfanghong Satellite Company, Ltd. entwickelt wurde und sich im Besitz des National Satellite Ocean Application Service befindet. Die Satelliten tragen einen Chinese Ocean Color and Temperature Scanner (COCTS) und einen Coastal Zone Imager (CZI) für niedrig aufgelöste Ozeanaufnahmen.

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Haiyang-2 (HY-2)

Die Serie der chinesischen Haiyang-2 (HY-2)-Satelliten mit niedriger Auflösung zur Beobachtung der dynamischen Meeresumwelt begann mit dem Start von HY-2A im Jahr 2011 auf einer CZ-4B-Rakete. HY-2A wurde 2018 von HY-2B abgelöst. Die HY-2-Satelliten werden von der China Academy of Space Technology entwickelt und befinden sich im Besitz des National Satellite Ocean Application Service. Die HY-2-Satelliten tragen ein Radaraltimeter, ein Mikrowellen-Scatterometer, ein scannendes Mikrowellen-Radiometer und ein Kalibrierungs-Mikrowellen-Radiometer zur Untersuchung der Ozeandynamik. Das System ist mit HY-2C und HY-2D in Betrieb, die 2020 bzw. 2021 gestartet werden. HY- 2C/2D sind mit einem Höhenmesser, einem Scatterometer, einem Korrektur-Mikrowellenradiometer und einem automatischen Identifikationssystem ausgestattet.

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Haiyang-3 (HY-3)

Die polumlaufenden, hochauflösenden Meeresüberwachungssatelliten der Serie Haiyang-3 (HY-3) Ozeanüberwachungssatelliten erfuhren mit dem Start von HY-3A im November 2023 ihren Programmbeginn. Auf HY-3A folgen HY-3B und GEO-SAR, ein geostationäres Meeresüberwachungssystem System. Die HY-3-Satelliten werden von der China Academy of Space Technology entwickelt und sind Eigentum des National Satellite Ocean Application Service. Die HY-3-Satelliten sind mit einem C-Band-Radar mit synthetischer Apertur (SAR-C) und einem automatischen Identifikationssystem ausgestattet, um Schiffe, Eis, Ölverschmutzungen, Wellen, Winde an der Meeresoberfläche und interne Wellen zu überwachen.

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halbräumlicher Emissionsgrad

Engl. semi-spatial emission factor, franz. degré d‘émission semi-spatial; nach DIN 18716 das "Verhältnis der spezifischen Ausstrahlung des betrachteten Temperaturstrahlers zu derjenigen des Planckschen (Schwarzen) Strahlers gleicher Temperatur".

HALE

Engl. Akronym für High Altitude Long Endurance System / Aircraft / UAV; unbemanntes Luftfahrzeug mit zivilem oder militärischem Einsatzzweck, das in der Lage ist,  in einer Höhe von mindestens 30.000 ft (9.100 m) und mit einer unbestimmten Reichweite zu fliegen. Es gibt unterschiedliche Definitionen, die abhängig vom Entwicklungsstand der Technologie und von den jeweiligen Anbietern noch Veränderungen unterworfen sind.

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HALO

Engl. Akronym für High Altitude and LOng Range Research Aircraft; aus einer Gulfstream G550 umgebautes Höhenforschungsflugzeug des DLR und anderen Zentren der Helmholtz-Gemeinschaft. HALO ersetzt das Forschungsflugzeug Falcon 20-E und wurde im August 2012 nach mehrjährigem Umbau und Vorbereitung offiziell dem DLR übergeben. Mit einer Flughöhe von mehr als 15 km (Übergangsbereich Troposphäre / Stratosphäre), einer maximalen Flugdauer von 10 Stunden und einer Reichweite von mehr als 10.000 km ermöglicht HALO erstmals Messungen auf der Skala von Kontinenten auf allen Breiten sowie in Höhen bis zur unteren Stratosphäre. Dabei kann das neue Forschungsflugzeug zur Untersuchung atmosphärischer und geophysikalischer Fragen bis zu drei Tonnen wissenschaftliche Nutzlast mit führen.

Damit übertrifft HALO seinen Vorgänger um ein Vielfaches: Mit der Falcon 20E, die 2010 die Vulkanasche-Schicht über Europa vermessen hat – konnten die Wissenschaftler bei einer Reichweite von etwa vier Stunden bislang nur Höhen von maximal 12.700 Meter erreichen und nicht viel mehr als eine Tonne Nutzlast transportieren.

Für Kampagnen kann HALO ganz unterschiedliche Messgeräte nutzen. Beispielsweise können mithilfe von Fernerkundungsmessgeräten Wolken, Aerosolpartikel und auch Spurengase in einer Entfernung von einigen Metern bis zu vielen Kilometern vom Flugzeug untersucht werden. Für die beiden NARVALKampagnen (Next Generation Remote Sensing for Validation Studies) 2013/14 und 2016 über der Karibik konnten so Lasermessgeräte, Radarsysteme und weitere Instrumente kombiniert werden. Mit dieser Ausstattung gelang es, Messungen von Satelliten zu validieren, die mit vergleichbaren, aber einfacheren Instrumenten arbeiten. Bei anderen Messkampagnen kommen häufig auch sogenannte In-situ-Messgeräte zum Einsatz. Hierbei nehmen die entsprechenden Messgeräte kleine Mengen der durchflogenen Umgebungsluft auf und vermessen Wolkentröpfchen, Eiskristalle, Aerosolpartikel und Spurengase mit hoher Präzision.

Die Klimaforscher erhoffen sich eine Vielzahl neuer Erkenntnisse, etwa über den bislang nur schwer zu erreichenden Übergangsbereich zwischen Troposphäre und Stratosphäre. Diese Region in bis zu 16 km Höhe beeinflusst wesentlich den atmosphärischen Energiehaushalt und den Transport von Spurengasen. Daneben ist der Einfluss von Eiswolken (Zirren) in großen Höhen von enormer Bedeutung: Der Klimaeffekt kann durch sie verstärkt oder abgeschwächt werden. Die stetig wachsende Flotte kommerzieller Flugzeuge beeinflusst diese Zirren durch Kondensstreifen und Aerosole mit bislang unbekannten Konsequenzen.

Halo - Operationshöhe HALO - Höhenprofil (Operationshöhen)

Von den geplanten Messkampagnen mit HALO werden in neun Forschungsbereichen wesentliche Erkenntnisse erwartet:

  1. Atmosphärenchemie und globale Luftverschmutzung
  2. Atmosphärendynamik und Atmosphärentransport
  3. Wolkenforschung
  4. Meteorologische Forschung
  5. Klimaforschung
  6. Globaler Kohlenstoffkreislauf
  7. Polarforschung
  8. Erdbeobachtung
  9. Geophysik und Geodäsie
Quelle: DLR

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HALOE

Engl. Akronym für Halogen Occultation Experiment; Atmosphärensensor an Bord des Upper Atmospheric Research Satellite (UARS), in Betrieb von 1991-2005. Mit solarer Okkultationsmessung wurden Vertikalprofile u.a. zu O3, HCl, HF, CH4, H2O, NO, NO2 erstellt.

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HAPS

Siehe High-Altitude Pseudo-Satellite

Harmonized Landsat Sentinel-2 (HLS)

Landsat- und Sentinel-2-Daten sind die am weitesten zugänglichen multispektralen Satellitenmessungen mit mittlerer bis hoher räumlicher Auflösung. Nach dem Start der beiden Sentinel-2-Satelliten in den Jahren 2015 und 2017 eröffnet das Potenzial für die synergetische Nutzung von Landsat- und Sentinel-2-Daten nie dagewesene Möglichkeiten für die zeitnahe und genaue Beobachtung des Zustands und der Dynamik der Erde.

Das Projekt nutzt die Eingangsdaten der gemeinsamen NASA/USGS-Satelliten Landsat 8 und der ESA-Satelliten Sentinel-2A/B, um ein vereinheitlichtes, analysefähiges Produkt von Oberflächenreflexionsdaten zu erzeugen, auf der Grundlage von zwei- bis dreitägigen Beobachtungsdaten. Die Harmonisierung der Landsat- und Sentinel-2-Daten ist für die wissenschaftliche Gemeinschaft von größter Bedeutung.

Spektrale Ähnlichkeiten zwischen dem Landsat 8 Optical Land Imager (OLI) und dem Sentinel-2 Multi-Spectral Imager (MSI) bieten die Möglichkeit, die Daten beider Sensoren zu harmonisieren, um Bildprodukte mit höherer Frequenz für die Überwachung der Landoberfläche und für Anwendungen zu erzeugen.

HLS Prozessierung HLS Prozessierung

Die Normalisierung der bidirektionalen Reflexionsverteilungsfunktion (Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF) berücksichtigt Änderungen der Sonnen- und Sichtwinkel für dasselbe Bodenziel, die zwischen MSI und OLI variieren. Die MSI-Bandpassanpassung berücksichtigt kleine Unterschiede zwischen den entsprechenden MSI- und OLI-Spektralbändern.

Quelle: Harmonized Landsat Sentinel-2 (NASA EarthData)

HLS-Datenprodukte verbessern die derzeit öffentlich zugänglichen Möglichkeiten des satellitengestützten Landmonitorings erheblich, insbesondere hinsichtlich der Häufigkeit der Beobachtung der Landoberfläche im Zeitverlauf. Die Harmonisierung von HLS stellt sicher, dass die Datenerhebung von Landsat 8 (30 Meter räumliche Auflösung mit einer Wiederholungsperiode von 16 Tagen) und die Datenerhebung von Sentinel-2A/B (10 bis 20 Meter räumliche Auflösung mit einer Wiederholungsperiode von fünf Tagen) so genutzt werden können, als entstammten sie eine einzigen Datenaufnahme. Mit HLS können alle zwei bis drei Tage Beobachtungen der Landoberfläche mit einer noch nie dagewesenen räumlichen Auflösung von 30 Metern erfasst werden.

Die häufigen Wiederholungen von HLS ermöglichen Zeitreihen von Landoberflächenanwendungen auf der Ebene von Feldern/Parzellen, was eine breite Palette von Anwendungen unterstützt, einschließlich Fragen der landwirtschaftlichen Gesundheit, Insektenbefall und Auswirkungen von Naturgefahren. Es wird erwartet, dass die Missionen für Landsat 9 (Start Ende 2021) und Sentinel-2C (Start 2024) ebenfalls in die HLS-Datenprodukte integriert werden, wodurch sich die Wiederbesuchszeiten und die Möglichkeiten der Landüberwachung weiter verbessern.

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Harmony

Bezeichnung für die von der ESA ausgewählte nächste Earth Explorer-Mission. Harmony ist als Mission mit zwei Satelliten geplant, die in Formation mit einem der Sentinel-1-Satelliten aus dem Programm Copernicus kreisen, um wichtige wissenschaftliche Fragen im Zusammenhang mit der Dynamik von Ozean, Eis und Land zu untersuchen.

Im Fokus der Erdbeobachtungsmission Harmony steht die Beobachtung und Auswertung von kleinsten Bewegungen an der Luft-Meer-Grenzfläche, wie Wind, Wellen, Oberflächenströmungen, außerdem der festen Erde wie bei tektonischen Deformationen und Höhenänderungen an Vulkanen und der Kryosphäre, also Gletscherströme und Höhenänderungen. Die Harmony-Mission wird zwei Satelliten einsetzen, die einem der  Sentinel-1-Satelliten folgen. Sie fliegen in zwei verschiedenen Formationen. Bei der Stereo-Formation, wird ein Harmony-Satellit jeweils im Abstand von 350 km vor und hinter dem Sentinel-1-Satelliten platziert. In der engen Flugformation werden beide Harmony-Satelliten relativ nahe zueinander – etwa 200-500 Meter – und im Abstand von 350 Kilometern zum Sentinel-1 fliegen.

Jeder Harmony-Satellit trägt als Hauptnutzlast ein passives Radar mit synthetischer Apertur (SAR). Dieses erfasst die von Sentinel-1 zur Erde gesendeten reflektierten Signale. Eine thermische Infrarotkamera mit mehreren Blickrichtungen ist ebenfalls an Bord. Damit werden die Wolkenhöhe und die Bewegungsvektoren der Wolken gemessen. Durch das Zusammenspiel der drei Satelliten gewinnt man eine Deformationsmessung der Erdoberfläche in drei Dimensionen sowie eine Geschwindigkeitsmessung der Meeresströmungen mit bisher unerreichter Genauigkeit von 0,2 Meter pro Sekunde.

Der nächste Schritt für die Realisierung der Mission ist die Feinabstimmung des Missionskonzeptes und der anschließende Bau im Hinblick auf den Start der Satelliten im Jahr 2029.

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Hauptkomponentenanalyse

Engl.: Principal Components Analysis, PCA, auch Hauptkomponententransformation; Verfahren der Bildverbesserung, vorrangig zur Datenreduktion ohne entscheidenden Informationsverlust. Mit der Hauptkomponententransformation wird die Abhängigkeit von Spektralbändern untereinander untersucht.

Die Bilddaten einer multispektralen Szene zeigen oft große Ähnlichkeit zwischen den Kanälen. Vor allem in benachbarten Spektralbereichen ist die Korrelation oft hoch. Das bedeutet, dass überschüssige, redundante Information in einer Szene vorhanden ist. Bei manchen Verarbeitungen ist es daher nützlich, die wesentlichen Informationen zu konzentrieren, damit die Spektralunterschiede zu verstärken und die Interpretierbarkeit zu verbessern.

Es wird davon ausgegangen, dass die Menge der Hauptinformationen eines Datensatzes von wenigen, aber dafür aussagekräftigeren Dimensionen, bzw. Variablen beschrieben werden kann. Der Rest der Daten wird dabei als Rauschen interpretiert.

Die PCA ermöglicht zum einen das Detektieren von wichtigen und dominanten Kanälen, auch Bänder genannt, in einem hyper- oder multispektralen Bild. Diese dominanten Kanäle tragen einen Großteil der gesamten Informationen einer Aufnahme in sich. Zum anderen dient die PCA der Datenreduzierung, was besonders bei hyperspektralen Bildern von großer Wichtigkeit ist. Im Umkehrschluss zur Auswahl der dominantesten Bänder werden die unwichtigsten Bänder eliminiert. Die Datenmenge reduziert sich erheblich, was sich besonders bei der weiteren Verarbeitung der Aufnahmen bemerkbar macht.

Heavens-Above

Name einer gemeinnützigen Website, die von Chris Peat entwickelt und unterhalten wird. Mit ihrer Hilfe können Satelliten verfolgt und beobachtet werden, ohne dabei optische Ausrüstung (Fernrohr, Teleskop) zu verwenden.

Die Website generiert detaillierte Sternkarten, auf welchen die Satellitenbahnen dargestellt sind. Die Bahnen werden vor dem Sternenhintergrund so dargestellt, dass man beim Blick in den Himmel die Bahn zwischen den Sternen findet. Besondere Aufmerksamkeit widmet die Seite der ISS und Iridium-Flares. Die Website gibt auch Informationen zu aktuell sichtbaren Kometen, Asteroiden und Planeten.

Um ortsbezogene Hinweise zu erhalten muss der Nutzer seinen Beobachtungsstandort angeben, z. B. durch einen Klick auf eine zoombare Karte. Es werden Listen mit astronomisches Objekten, ihrer scheinbaren Helligkeit, der Aufgangszeit und der Richtung, in der sie aufgehen berechnet und ausgegeben. Ferner werden Raumstationen, Raketen, Satelliten, Weltraummüll sowie Sonne, Mond und Planeten angezeigt.

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Helios 1/2

Helios 1 und Helios 2 waren deutsche (BMFT, DFVLR, MBB), in Kooperation mit der NASA entwickelte Sonden zur Erforschung des sonnennahen Raums. Die beiden Sonden wurden nach dem griechischen Sonnengott Helios benannt. Sie wogen rund 370 kg und hatten 10 wissenschaftliche Experimente an Bord. Die Sonden hatten die Form einer überdimensionalen Garnrolle, die an der Oberfläche abwechselnd mit speziellen Spiegeln und Solarzellen bedeckt war. Sie rotierten ständig um die eigene Achse, damit im Inneren eine Temperatur von 20 °C aufrecht erhalten werden konnte - bei Außentemperaturen von bis zu 300 °C. Ein Reserveexemplar steht im Deutschen Museum München als Ausstellungsstück.

Helios Aufbauschema Aufbau der Heliossonde

Legende zum Aufbauschema:
1: schwach bündelnde Antenne
2: Antenne (mittlere Richtwirkung)
3: Antenne (hohe Richtwirkung)
4: Magnetometer
5: Elektronik
6: Zodiakallicht-Photometer
7: Druckgasbehälter
8: Antenne für Radiowellen-Untersuchungen
9: Solarzellen

Quelle: Bernd Leitenberger

Helios 1 startete am 10. Dezember 1974 auf einer Titan-Centaur-Rakete. Die Sonde erreichte eine Sonnenumlaufbahn mit einer minimalen Sonnenentfernung von 46,5 Millionen Kilometern. Der Kontakt zu Helios 1 ging am 16. März 1986 verloren. Helios 1 war die erste Raumsonde, die nicht aus der UdSSR oder den USA stammte.

Helios 2 startete am 15. Januar 1976 ebenfalls auf einer Titan-Centaur-Rakete. Diese Sonde kam bis auf 43,5 Millionen Kilometern an die Sonne heran. Die Mission von Helios 2 endete bereits im Dezember 1981.

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HELIOS I

Name für das erste europäische optische Satellitenaufklärungssystem. Das Programm wurde gemeinsam von Frankreich (federführend), Spanien und Italien finanziert und beinhaltet ein weltraumgestütztes Segment und eine Bodenkomponente. Das System war in der Lage, hochauflösende täglich aktualisierte Bilder an jeden Punkt der Welt zu liefern. Die maximale Auflösung betrug 1 m, der Swath 10 km.

Der erste der zwei Satelliten HELIOS IA wurde 1995 gestartet, 1999 folgte der Start von HELIOS IB. Um den Anforderungen der Partnerländer des HELIOS-Programms zu entsprechen, wurde jeden Tag der Einsatzplan für die Satelliten neu festgelegt. Das System lieferte mehr als 100.000 Aufnahmen geliefert. Die Bodenstation für Helios befindet sich in Creil.

Inzwischen sind beide Satelliten inaktiv.

HELIOS II

Die zweite Generation der europäischen optischen Satellitenaufklärungssysteme, entwickelt im Rahmen eines Gemeinschaftsprogramms unter Beteiligung Frankreichs, Belgiens und Spaniens. Das System aus zwei Satelliten und einem Bodensegment bietet eine Reihe von Verbesserungen: höhere Bildauflösung, IR-Bildverarbeitung für Nachteinsätze und kürzere "Revisit"-Zyklen. Darüber hinaus gibt es Instrumente, die für Abhörmaßnahmen eingesetzt werden (Telefongespräche etc.).

Neben Aufklärungsarbeiten dient Helios ebenso dazu, Guidingsaufgaben beim Einsatz der europäischen Marschflugkörper vom Typ Storm Shadow/ SCALP zu übernehmen.

Das neue Nutzer-Bodensegment wurde 2003 in Dienst gestellt und der erste Satellit der neuen Generation Helios IIA, wurde von der Trägerrakete Ariane am 18. Dezember 2004 in die Umlaufbahn gebracht. HELIOS IIB wurde im Dezember 2009 gestartet.

HELIOS II gilt nicht nur als bahnbrechender Fortschritt im Hinblick auf die Fähigkeit Europas, satellitengestützte militärische Aufklärungsdaten zu nutzen, sondern eröffnet auch neue Dimensionen für die europäische Verteidigung. Neue bilaterale Vereinbarungen (Frankreich-Deutschland, Frankreich-Italien) werden den gemeinsamen Zugriff auf die von HELIOS II, dem deutschen Radarsatellitensystem SAR-Lupe und dem italienischen System Cosmo-SkyMed gelieferten Daten ermöglichen.

Das System Helios II wird inzwischen durch die Composante spatiale optique (CSO) ersetzt, ein französisches Programm mit drei militärischen Beobachtungssatelliten.

heliosynchrone Umlaufbahn

Siehe sonnensynchrone Umlaufbahn

Helligkeit

Engl. brightness; als Maße für die mittlere Helligkeit in einem Bild sind der Mittelwert oder der Median der Grauwertverteilung geeignet.

HEO

Engl. Akronym für Highly Elliptical Orbit; hochelliptische Umlaufbahn. Satelliten auf diesem Bahntyp befinden sich in Höhen von 300 - 1.500 km (Perigäum) und 10.000 - 50.000 km (Apogäum). Ihre Umlaufdauer beträgt 8 - 24 Stunden. Diese Bahnen können so eingerichtet werden, dass auch schlecht oder gar nicht von geostationären Positionen aus beobachtbare polnahe Gebiete längere Zeit im Gesichtsfeld sind (so genannte Molnija-Bahnen).

Heron TP

Heron TP ist eine militärische Drohne, die von Israel Aerospace Industries (IAI) hergestellt wird. Neben der Aufklärung als Hauptaufgabe kann sie auch bewaffnet für Luft-Boden-Angriffe eingesetzt werden. Die Heron TP wurde aus der Aufklärungsdrohne Heron 1 entwickelt, ist aufgrund der größeren Abmessungen aber ein komplett eigenständiges Drohnenmodell.

Nutzlast zur Aufklärung:

In die Heron TP kann aufgrund der hohen möglichen Zuladung eine Vielzahl von Sensoren integriert werden. Dazu zählen elektro-optische Sensoreinheiten mit Kameras für das sichtbare Lichtspektrum und Thermalbild, Laserentfernungsmesser/Lasermarkierer, Synthetic Aperture Radar, Seeüberwachungsradar sowie Sensorik für Fernmelde- und elektronischen Aufklärung und elektronischen Kampf.

Leasing durch Bundeswehr:

2016 wurde bekannt, dass die Bundeswehr bis zur Bereitstellung einer eigenen europäischen Drohne zur Überbrückung Heron TP-Drohnen beschaffen will. Zu dem Zeitpunkt war bereits das Vorgängermodell Heron 1 bei der deutschen Luftwaffe im Einsatz.

Anfang 2019 begann die Ausbildung deutscher Luftwaffen-Piloten an der Heron TP. Anfang Mai 2024 erhielt die Heron TP auch die Verkehrszulassung durch das Luftfahrtamt der Bundeswehr, womit die Drohne am internationalen Luftverkehr teilnehmen darf. Der Erstflug einer in Einzelteilen aus Israel gelieferten Heron TP über Schleswig-Holstein fand am 8. Mai 2024 statt. Am 15. Mai wurde das Waffensystem offiziell bei der Luftwaffe in Dienst gestellt. Während des sechsmonatigen Demonstrationsbetriebs wird die Heron TP ausschließlich unbewaffnet geflogen.

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Herschel Space Observatory

Erstes Weltraumobservatorium (Herschel Space Observatory), das mit seinem strahlungsgekühlten Teleskop mit drei wissenschaftlichen Instrumenten im Brennpunkt den kompletten Wellenlängenbereich des Fernen Infrarot (FIR) bis zum Sub-Millimeter-Bereich (60 bis 670 Mikrometer) abdeckt. Dieser Bereich kann vom Erdboden aus wegen des eingeschränkten atmosphärischen Fensters nicht beobachtet werden.

Das Teleskop wurde nach dem Entdecker der Infrarotstrahlung Wilhelm Herschel benannt.

Herschels drei Instrumente sind:

PACS und SPIRE sind Kameras und abbildende Spektrometer, die gemeinsam den Wellenlängenbereich von 55-672 Mikrometer (µm) abdecken. HIFI arbeitet in den zwei Wellenlängenbereichen 157–212 µm und 240–625 µm.

Das von der ESA entwickelte 3,4 t schwere Infrarotweltraumteleskop wurde zusammen mit dem Planck-Weltraumteleskop mit einer Ariane-Rakete am 14. Mai 2009 gestartet. Der Hauptspiegel hat einen Durchmesser von 3,5 Metern, der aus zwölf Segmenten Siliciumcarbid (SiC) bei EADS-Astrium (heute Airbus D&S) in Toulouse gesintert wurde. Herschel hat somit den größten aus einem Stück bestehenden Spiegel, der bisher für ein Weltraumteleskop gefertigt wurde und ist in dieser Eigenschaft erst vom James Webb Space Telescope abgelöst worden.

SiC ist ein außergewöhnlicher Werkstoff, dessen mechanisch-thermale Eigenschaften die Konstruktion sehr großer, aber ultraleichter Geräte ermöglichen: der Spiegel von Astrium ist mit seinen 3,5 m das größte je in den Weltraum transportierte bildererzeugende Teleskop und wiegt doch nur 350 kg, während es in der Standardtechnologie ausgeführt 1,5 Tonnen wiegen würde.

herschel_lres Herschel Space Observatory

Grafische Darstellung des Raumfahrzeugs

Das Observatorium ist nach dem hannoveranisch-britischen Astronomen und Musiker William (Friedrich-Wilhelm) Herschel benannt.

Das Teleskop beobachtet Strahlung aus dem Universum im Infrarotbereich. Während William Herschel nur die bis zum Erdboden durchdringende kurzwellige Strahlung des nahen Infrarot untersuchen konnte, hat das Herschel-Weltraumobservatorium die Strahlung im fernen Infrarotbereich gemessen, für die unsere Atmosphäre undurchlässig ist. Sie kann deshalb nur direkt im Weltraum beobachtet werden. Das Licht aus dem Weltraum, das mit dem Auge gesehen werden kann, ist hauptsächlich das Licht der Sterne. 

Quelle: NASA
herschel_sketch Funktionsskizze

Mit einem Primärspiegel, der einen Durchmesser von 3,5 m hat, ist das Herschel Teleskop größer als jedes andere weltraumbasierte Teleskop. Mit Hilfe seiner Abschirmung gegenüber der Sonnenstrahlung kühlt das Teleskop passiv auf ca. 80 K (80 °C über dem absoluten Nullpunkt) ab, indem es seine Wärme in das Weltall abstrahlt.

Der Spiegel besteht aus Siliziumkarbid, ein leichtes Keramikmaterial, das resistent ist gegenüber Stress, Ermüdung und extremen Temperaturen. Es kann wie Glas poliert werden und weicht dabei von völliger Ebenheit um nicht mehr als ein Mikron ab, eine Anforderung, um Verzerrungen der aufgenommenen Bilder zu vermeiden.

Quelle: NASA JPL

Damit die Instrumente nicht durch die eigene Wärmestrahlung geblendet werden, müssen sie mit Hilfe eines Kühlbehälters (Kryostat) bis auf minus 271 Grad Celsius - etwa zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt - gekühlt werden. Dabei wird superfluides Helium eingesetzt. Bei dieser Temperatur kann über die empfindlichen wissenschaftlichen Instrumente Einblick in die unbekannten Bereiche des kalten frühen Universums genommen werden.

Nach dem Brennschluss der Oberstufe wurde um 13:38 UTC das Herschel-Teleskop wenige Minuten vor dem Planck-Weltraumteleskop auf einer hochelliptischen Umlaufbahn mit einer Apogäumhöhe von 1.197.080 km und einer Bahnneigung zum Äquator von 6° ausgesetzt. Von diesem Orbit wurde es antriebslos innerhalb von sechzig Tagen in die vorgesehene Umlaufbahn um den Lagrangepunkt L2 des Erde-Sonne-Systems gebracht. Das Weltraumteleskop fliegt auf einer 0,8-Millionen-Kilometer-Halo-Bahn um diesen Punkt. Dieser befindet sich, von der Sonne aus gesehen, ca. 1,5 Millionen Kilometer hinter der Erde.

Die Erde befindet sich auf einer stabilen Umlaufbahn um die Sonne, da die Vorwärtsbewegung unseres Planeten exakt die Gravitationskraft der Sonne bei dieser Entfernung (ca. 93 Mio. km) ausgleicht. Alle Körper auf einer Umlaufbahn um die Sonne besitzen dieses Gleichgewicht zwischen Anziehungskraft und Vorwärtsbewegung. Da die Anziehungskraft mit der Entfernung abnimmt, bewegen sich weiter von der Sonne entfernte Objekte langsamer auf ihrer Bahn.

Wenn Sonne, Erde und ein noch weiter entferntes Raumfahrzeug sich alle zufälligerweise zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Linie befänden, würde das Raumfahrzeug bald zurückfallen (ohne Einsatz des Triebwerks) und wäre nicht in der Lage, mit der Erde mitzuhalten, wenn sie beide die Sonne umkreisen.

Aber es gibt einen Punkt - er befindet sich auf einer geraden Linie von der Sonne zur Erde und noch fast eine Million Meilen darüber hinaus - wo die kombinierten Anziehungskräfte von Sonne und Erde gerade so stark sind, dass ein Raumschiff, um diese Kräfte auszugleichen und auf dem Sonnenorbit zu bleiben, sich schneller vorwärts bewegen muss als bei dieser Entfernung von der Sonne üblich. Mit dieser erhöhten Geschwindigkeit hält das Raumschiff exakt Schritt mit der Erde auf ihren Umlaufbahnen. Sonne, Erde und Raumschiff bleiben in einer Linie. Dieser Punkt wird als L2-Punkt des Systems Erde-Sonne bezeichnet.


lagrange_points

Lagrange Punkte

Der oben beschriebene Punkt wird als L2-Punkt des Systems Erde-Sonne bezeichnet, der zweite von fünf sogenannten ‚Lagrange-Punkten‘ (auch ‚Librationspunkten‘), benannt nach Joseph-Louis Lagrange (1736-1813), der ihre Existenz berechnete.

Wo immer die Erde gerade ist auf ihrem Weg um die Sonne, ein L2-Raumfahrzeug wäre eine Million Meilen über der Nachtseite des Planeten. Und mit der Sonne und der Erde in seinem Rücken würde ein Teleskop an Bord des Raumfahrzeugs immer einen klaren, nicht unterbrochenen Blick hinaus ins Universum haben.

Quelle: NASA JPL

Zu den Hauptzielen von Herschel gehören Untersuchungen zur

Ende April 2013 wurde die Mission für beendet erklärt, da das zur Kühlung benötigte Helium aufgebraucht war. Durch die fehlende Kühlung konnten die Instrumente wegen ihrer zu hohen Temperatur die Beobachtungen nicht mehr fortsetzen. Nach einer Reihe von sich anschließenden technischen Tests wurde der Satellit auf einen heliozentrischen Orbit gebracht und schließlich am 17. Juni 2013 endgültig abgeschaltet.

Herschel hat die in die Mission gesetzten Erwartungen übererfüllt.

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High Definition Earth Viewing (HDEV)

High Definition Earth Viewing (HDEV) ist ein Experiment der NASA, das auf der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt wird. Es handelt sich um vier seriengefertigte (COTS) HD-Videokameras der Firmen Panasonic, Sony, Hitachi und Toshiba, die die Erde aus verschiedenen Winkeln beobachten. Die Box, in der die Kameras fest montiert sind, wurde mit einem Dragon Raumschiff im Rahmen der SpaceX-CRS 3 Mission zur ISS transportiert (18. April 2014) und anschließend von einem Roboterarm am Columbus Labor der ESA befestigt. Seit dem 30. April überträgt ein Live-Stream die Videos aus dem All. Überfliegt die ISS gerade die Nachtseite der Erde, so bleibt der Bildschirm schwarz.

Ein grauer Bildschirm weist auf einen Wechsel der Kamera hin oder die ISS befindet sich in einer Loss of Signal Phase. Das HDEV-System wurde am Johnson Space Center in Houston entwickelt und zusammen mit Studenten des "High Schools United with NASA to create Hardware"-Programms umgesetzt. Das Hauptziel der HDEV-Mission ist es, zu untersuchen, wie sich die Bildqualität der Kameras unter Einfluss der extraterrestrischen Strahlungsverhältnisse im Laufe der Zeit verändert. Als einziger Schutz dient dementsprechend auch nur eine leichte Dämmung gegen die Kälte und Stickstoff zur Simulation der irdischen Druckverhältnisse. So wird getestet, ob sich COTS Kameras für zukünftige Raumfahrt-Missionen zum Mond oder zum Mars eignen.

High Definition Earth Viewing (HDEV)

Box mit den vier COTS-Kameras (Hintergrund) an der Außenseite des europäischen Columbus-Raumlabors (runder Korpus)


Quelle: NASA
Die vier COTS HD-Videokameras High Definition Earth Viewing (HDEV)

Die vier COTS HD-Videokameras des High Definition Earth Viewing Experimentes der NASA

Quelle: NASA

Das didaktische Projekt „Columbus Eye – Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht" entwickelte am Geographischen Institut der Universität Bonn auf der Basis von erdbeobachtenden Videoaufnahmen interaktive Unterrichtsmaterialien. Columbus Eye ist zugleich der einzige europäische Partner der HDEV-Mission.

Weitere Informationen:

High-Altitude Pseudo-Satellite (HAPS)

Bezeichnung für in der Stratosphäre stationierte Plattformen, die für eine bestimmte Zeit (Wochen bis Monate) über einem bestimmten Punkt der Erdoberfläche positioniert sind. Bei diesen unbemannten Luftfahrzeugen kann es sich um Flugzeuge, Luftschiffe oder Ballone handeln.

HAPS schweben oder fliegen hoch über dem Bereich normaler ziviler Flugzeuge und bieten eine kontinuierlicher Abdeckung des Gebietes unter ihnen bei Tag und Nacht. Im Vergleich zu bodenbasierten Systemen, Türmen oder Flugzeugen operieren HAPS quasi-stationär in einer Höhe von ca. 20 km. Dies ermöglicht ihnen die Ergänzung oder Erweiterung der Fähigkeiten von Satelliten in den Bereichen Telekommunikation, Erdbeobachtung und Navigation. Zusätzlich besteht ein Potential zur Integration in bodengestützte Infrastruktur.

Ahnlich wie Telekommunikationsmissionen, erfordern manche Beobachtungstätigkeiten eine langfristige und kontinuierliche Abdeckung. Dies auch in Regionen, die aufgrund ihrer Topographie oder Geographie schwer zugänglich sind. Zwar bieten Satelliten langfristige und sogar globale Abdeckung. Die Anschaffung und Aufrechterhaltung einer Satellitenkonstellation ist jedoch sehr kostenintensiv.

Einige der relevanten Einsatzszenarien von HAPS bei der Erdbeobachtung werden nachfolgend zusammengefasst:

Zu den wichtigsten Firmen, die sich im HAPS-Markt engagieren, gehören Airbus, Alphabet, Facebook, Lockheed Martin, Tao Group, RosAeroSystems and Thales.

High Altitude Pseudo-Satellites HAPS Quelle: ESA

Weitere Informationen:

High-Resolution Infrared Radiation Sounder (HIRS)

Sondierendes Instrument, das in Satelliten von NOAA (TIROS, POES) und EUMETSAT (MetOp) auf polarer Umlaufbahn installiert ist, und das die Energie misst, die von der Atmosphäre emittiert wird. Ziel ist, ein vertikales Temperaturprofil von der Erdoberfläche bis in 40 km Höhe zu erstellen. Die Messungen werden in 1 sichtbaren Kanal, 7 kurzwelligen und 12 langwelligen Infrarotkanälen vorgenommen. HIRS ist Bestandteil von TOVS und ATOVS.

Weitere Informationen:

Himawari-8 / -9

Wettersatelliten der japanischen Meteorologiebehörde JMA (Japan Meteorological Agency) mit Drei-Achs-Stabilisierung. Himawari-8 ist der achte geostationäre Wettersatellit Japans und der erste einer neuen Baureihe. Er ersetzte Himawari-7 (MTSAT-2), von 2006 bis 2015 im Dienst war.

Himawari-8 wurde am 7. Oktober 2014 mit einer H-2A-Trägerrakete vom japanischen Tanegashima Space Center aus in die Erdumlaufbahn gebracht und erreichte seine geostationäre Position auf 140° Ost am 16. Oktober. Die ersten Bilder konnten am 18. Dezember 2014 empfangen werden, in Betrieb ging der Satellit am 7. Juli 2015. Um Wettereinflüsse zu minimieren, werden in Japan zwei Empfangsstationen parallel betrieben: die Hauptstation in der Region Kantō und eine Ersatzstation bei Ebetsu auf der Insel Hokkaidō.

Der Satellit wurde auf Basis des Satellitenbus DS 2000 von Mitsubishi Electric gebaut und besitzt eine geplante Lebensdauer von 8 Jahren. Er ist mit drei Gerätekomplexen ausgerüstet. Der Advanced Himawari Imager (AHI) ist das Hauptinstrument der Raumsonde. Es ist eine Multispektralkamera mit sechzehn Kanälen (0,46 - 13,3 µm), die im Bereich des sichtbaren Lichts (3 Bänder), des nahen Infrarots (3 Bänder) und im Infrarotbereich (10 Bänder) Übersichts- und Detailaufnahmen liefern wird. Die Kamera der früheren MTSAT-Serie besaß nur 5 Bänder.

Die Bilder erreichen eine Auflösung von bis zu 500 m und liefern auf den verschiedenen Spektralbereichen Daten über Bewölkung, Temperatur, Wind, Niederschlag und Aerosolverteilung. Zusätzlich wurden die Beobachtungsintervalle für die gesamte Erdscheibe von 30 auf 10 Minuten verkürzt, für Japan sogar auf 2,5 Minuten. Diese bedeutenden Verbesserungen versprechen eine hohe Genauigkeit bei der Beobachtung von tropischen Wirbelstürmen und von Wolken, die regional Starkniederschläge bringen können. Auch die Ausbreitung von Vulkanasche und anderen Aerosolen kann mit großer Präzision beobachte werden.

Das Space Environment Data Acquisition Monitor (SEDA) sammelt Daten über Protonen und Elektronen im Weltraum. Das Data Collection Subsystem (DCS) ist die Kommunikationsnutzlast und dient der Sammlung und Weiterleitung der Daten zu den Bodenwetterstationen über das Ka-Band.

Der Start des identischen Himawari-9 erfolgte im November 2016. Er ist ebenfalls auf 140° O positioniert und ersetzt den in die Jahre gekommenen Himawari-6. Zusammen mit Himawari-8 bildet der neue Satellit ein System, das durch gegenseitige Unterstützung ein Maximum an Laufzeit garantiert um ihre wichtigen Messungen zuverlässig durchzuführen.

Weitere Informationen:

Himmelsstrahlung

Engl. sky radiation oder skylight, franz. rayonnement du ciel; die aus allen Richtungen kommende diffuse elektromagnetische Strahlung ohne die direkte Sonnenstrahlung. Die kurzwellige Himmelsstrahlung mit Wellenlänge kleiner 3,5 µm besteht im wesentlichen aus der in der Atmosphäre an Molekülen, Aerosolpartikeln und Wolkentröpfchen gestreuten Sonnenstrahlung (der Anteil im sichtbaren Spektralbereich ist das Himmelslicht). Die auf eine horizontale Fläche auffallende direkte Sonnenstrahlung und die kurzwellige Himmelsstrahlung ergeben zusammen die Globalstrahlung. Die langwellige Himmelsstrahlung mit Wellenlängen größer 3,5 nm entspricht hauptsächlich der Wärmestrahlung der absorbierenden Spurengase, Aerosolpartikeln und Hydrometeoren; sie wird auch atmosphärische Gegenstrahlung genannt.

Hipparcos

Abgeschlossene wissenschaftliche Mission der ESA zur Astrometrie (Messung und Berechnung von Gestirnspositionen) mit dem Ziel, die Entfernung der Sterne innerhalb unserer Galaxie genau zu vermessen.

Weitere Informationen:

HIRDLS

Engl. Akronym für High Resolution Dynamics Limb Sounder; Instrument an Bord des Satelliten Aura der NASA, das von der mittleren Troposphäre bis zur Mesosphäre Messungen der Temperatur, Spurenbestandteilen und Aerosolen vornimmt. Auch sichtbare und unsichtbare Cirrus-Wolken stehen in seinem Fokus.
Die Funktion des Sensors ist durch einen bereits beim Start erlittenen Schaden stark eingeschränkt.

HIRS

Siehe High-Resolution Infrared Radiation Sounder

Histogramm

Engl. histogram, franz. histogramme; nach DIN 18716 eine "tabellarische oder graphische Darstellung, die zeigt, wie häufig einzelne Grauwerte in einem digitalen Bild vorkommen".

Ein Histogramm stellt den quantitativen Anteil der Grauwerte beziehungsweise der Farbwerte häufig in einer Grafik (Säulendiagramm) dar, in dem die absoluten oder relativen Häufigkeiten über den auf der Abszissenachse abgetragenen Merkmalswerten bzw. statistischen Daten dargestellt sind. Das Histogramm eines Bildes erlaubt auch eine Aussage über Kontrastumfang und Helligkeit des Bildes. Es enthält keine Information über die räumliche Verteilung der Grauwerte.

In einem farbigen Bild kann entweder ein Histogramm über alle möglichen Farben oder drei Histogramme über die einzelnen Farbkanäle erstellt werden; letzteres ist meist sinnvoller, da die meisten Verfahren auf Grauwertbildern basieren und so die sofortige Weiterverarbeitung möglich ist.

In der Bildverarbeitung berechnet man Histogramme, um beispielsweise für eine Farbreduktion die Grauwertverteilung zu ermitteln. Histogramme werden auch als Hilfsmittel zur Klassenbildung in thematischen Karten genutzt. In der Photogrammetrie und Fernerkundung sind die Häufigkeiten der einzelnen Grauwerte (Intensitätswerte) ein statistisches Charakteristikum des digitalen Bildes. Das Histogramm ist die Grundlage für eine Vorverarbeitung digitaler Bilder zur Änderung der Helligkeit und des Kontrastes sowie zur flächenbasierten Merkmalsextraktion.

In der beschreibenden Statistik sind Histogramme Grundlage zur Darstellung der klassifizierten Werteverteilung, aus der dann Balken- oder Säulendiagramme zur Visualisierung raumbezogener Verteilung entstehen können.

Histogrammspreizung

Auch Histogrammstreckung, engl. histogram stretching, franz. étendue d'histogramme, étalement radiométrique de l'histogramme; nach DIN 18716 ein Vorgang, durch den die Grauwertverteilung eines Bildes so verändert wird, dass ein bestimmter Zweck (z. B. visuelle Bildinterpretation) erleichtert wird.

Fernerkundungssensoren sind so konstruiert, dass sie auch noch sehr helle (z. B. Schneeflächen) bzw. auch sehr dunkle (z. B. Wälder) Lichtintensitäten in sinnvolle Signale umsetzen können. Dies hat zur Folge, dass die Rohdaten meistens den möglichen Dynamikbereich von 256 Grautonstufen nur zu einem Bruchteil ausnutzen. Sie weisen also nur einen geringen Kontrast auf. Trotzdem ist eine Menge an Informationen in den geringen Grautonabstufungen enthalten, die das menschliche Auge jedoch nicht wahrnehmen kann. Mit den Methoden der Histogrammstreckung werden die vorhandenen Grauwerte über den gesamten verfügbaren Grauwertbereich gespreizt, um die Informationen für das menschliche Auge sichtbar zu machen.

hochaufgelöstes Bild

Engl. high resolution image; ein Bild mit mehr Pixel pro Flächeneinheit verglichen mit einem Bild mit geringerer Auflösung. Es weist damit einen größeren Detailreichtum auf.

Hochbildphotographie

Engl. pole aerial photography, ist eine spezielle Variante der Luftbildphotographie. Für die Aufnahme von Photos aus erhöhter Position werden häufig Hochstative (Teleskopmasten) mit einer Höhe von bis zu 25 Metern oder mehr eingesetzt. Die meisten Hochstativ-Systeme erreichen jedoch lediglich eine Höhe von ca. 15 Metern. Das Stativ ist meist als Drei- oder Vierbein-Stativ konzipiert oder wird an einem Fahrzeug montiert.

Am Kopf des Teleskops befindet sich eine Foto- oder Videokamera, die vom Boden aus komplett ferngesteuert wird (schwenken, neigen, zoomen, auslösen). Auch das Sucherbild wird (meist per Kabel) zum Boden übertragen und dort auf einem Monitor oder Notebook angezeigt.

Es gibt noch andere Arten der Luftbildfotografie ohne manntragendes Fluggerät. Drachen, Ballone, kleine Blimps, Modellflugzeuge, Modellhubschrauber und Multicopter werden ebenfalls zur Hochbildfotografie benutzt. Je nach Technik werden Höhen von bis über 500 Meter Aufnahmehöhe erreicht.

Eine andere Form der Hochbildfotografie ist das Fotografieren der Landschaft von hohen Bauwerken, wie zum Beispiel von den Aussichtsplattformen von Fernsehtürmen. Zu dieser Form der Hochbildfotografie ist keine besondere Ausrüstung nötig.

Hochpassfilter

Engl. high pass filter, franz. filtre passe-haut; Instrumente der digitalen Filterung, die im Rahmen der Bildverbesserung die hohen Ortsfrequenzen betonen, also die benachbarten Grauwertunterschiede. Sie eignen sich daher vor allem dazu, Kanten und andere Bilddetails hervorzuheben und dadurch die Bildwiedergabe für den Betrachter schärfer und detailreicher erscheinen zu lassen. Der Hochpassfilter hat den Effekt, dass niedrige Frequenzanteile unterdrückt werden. Umgekehrt können hohe Werte den Filter passieren. Hierdurch werden Konturen und Kanten besonders hervorgehoben (engl. edge detection). Der Filter dient u.a. zur Abgrenzung von Gebieten mit abrupter Änderung gegenüber solchen mit wenigen Änderungen.

Eine Hochpassfilterung wirkt sich stets dann günstig aus, wenn die verstärkten Grauwertunterschiede überwiegend durch Objektstrukturen verursacht sind. Allerdings werden durch den Vorgang auch unerwünschte Rauschanteile oder sonstige Störungen betont, was zu einer Qualitätsminderung im Ergebnisbild führt. Beim Hochpassfilter wird der Wert des zentralen Pixels durch einen gewichteten Wert der umgebenden Pixel ersetzt, wobei diese Filtergewichte je nach Einsatzziel des Filters stark variieren können. So existieren Kantenfilter, die die Bereiche starker Grauwertänderungen als Kanten hervorheben. Diese können zusätzlich richtungsabhängig gestaltet werden, so dass Grauwertänderungen in bestimmten Richtungen betont werden, was besonders in der Geologie zur Entdeckung geologischer Strukturen nützlich ist.
Ein besonders bekannter Hochpassfilter ist der Laplace-Operator.

Höhenforschungsrakete

Höhenforschungsraketen tragen als Nutzlast wissenschaftliche Experimente in die Hochatmosphäre oberhalb der durch Ballone abgedeckten Höhen und unterhalb der Satellitenbahnen.

Sie folgen Parabolflugbahnen, deren Dauer durch das von ihnen erreichte Apogäum (erdfernster Punkt der Flugbahn) ermittelt wird und liefern vibrationsfreie Umgebungsbedingungen für Experimente zur Ermittlung von Werkstoffeigenschaften und -verhalten, von biologische Phänomenen und Experimenten auf vielen anderen Gebieten. Dies sind meist meteorologische oder aerologische Messungen, wie solche des Luftdrucks, der Temperatur oder der Windgeschwindigkeit in der Atmosphäre, aber auch Messungen anderer Art, wie die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften der Ionosphäre. Daneben werden mit Hilfe von Höhenforschungsraketen auch astronomische Beobachtungen oder materialwissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt.

Der durch die Flugzeit der Rakete bestimmte Zeitraum unter Schwerelosigkeit ist bei einigen Versuchen ausreichend, um eigenständige Ergebnisse zu gewinnen, in anderen Fällen werden diese Experimente als Vorbereitung für längerfristige Forschungsarbeiten im Weltraum  - an Bord der ISS - durchgeführt.

Eine Höhenforschungsrakete ist in der Regel ein ballistischer Flugkörper, der aus einer antreibenden Feststoffrakete und einem aufgesetzten Nutzlastbehälter besteht. Die Vorbereitungen zum Start sind wesentlich einfacher als z.B. in der Raumfahrt. Als Nutzlast werden Messinstrumente für wissenschaftliche Forschungen in Höhen zwischen 45 km und über 1.200 km befördert. Je nach Zielsetzung können folgende Instrumente eingesetzt werden:

In vielen Fällen fallen die Messinstrumente nach ihrem Höheneinsatz an Fallschirmen zurück zur Erde, um dort geborgen und deren Messungen ausgewertet zu werden, andererseits können die Messdaten auch per Funk übermittelt werden. Höhenforschungsraketen werden oft von mobilen Abschusseinrichtungen aus gestartet, um ihren Einsatzradius deutlich erweitern zu können.

Als Raketen können prinzipiell gelenkte oder ungelenkte Flüssigkeits-, Hybrid- oder Feststoffraketen eingesetzt werden. Aus Kostengründen werden heute als Höhenforschungsraketen - sofern das Experiment keine besondere Ausrichtung erfordert - meist ungelenkte Feststoffraketen verwendet. Solche Raketen werden auch als meteorologische Raketen bezeichnet. Gelenkte Feststoffraketen werden nur für Experimente, die eine exakte Flugbahn benötigen, verwendet. Flüssigkeits- und Hybridraketen werden gelegentlich für schwerere Nutzlasten verwendet.

Zur Messung von Windgeschwindigkeiten wird entweder die Position einer Messkapsel, die an einem Fallschirm zur Erde zurückkehrt und auch andere Messgeräte (zum Beispiel zur Bestimmung der Temperatur) besitzen kann, bestimmt oder es werden metallbeschichtete Kunststoffstreifen abgeworfen, deren Flugbahn mit einem Radargerät verfolgt werden kann. Auch die Erzeugung künstlicher Wolken, zum Beispiel aus Titandioxid ist hierfür möglich. Um das Magnetfeld der Erde zu vermessen, werden Kanister mit Alkali- oder Erdalkalimetallen mitgeführt, die am Gipfelpunkt der Bahn zur Explosion gebracht werden. Durch die Sonnenstrahlung werden diese leicht ionisierbaren Elemente ionisiert, und die geladenen Ionen verteilen sich in Abhängigkeit von den Feldlinien.

Höhenmesser (Altimeter)

Syn. Altimeter; in der Fernerkundung ein aktives System, das zur Höhenmessung eines Objektes über einem bestimmten Niveau verwendet wird. Altimeter können z.B. mit Radar- oder Laser-Systemen arbeiten.

Horizont Europa

Horizont Europa (engl. Horizon Europe) ist das wichtigste Förderprogramm der EU für Forschung und Innovation. Es verfügt über ein Budget von 95,5 Milliarden Euro für den Zeitraum von 2021 bis 2027. Die Inhalte orientieren sich an wichtigen gesellschaftlichen Fragestellungen wie zum Beispiel Gesundheit, nachhaltige Entwicklung und Digitalisierung. Ein zentrales Ziel ist es, Exzellenz in der europäischen Wissenschaft zu fördern.

Wie das Vorgängerprogramm wird Horizont Europa für die Forschungslandschaft in Deutschland von sehr großer Bedeutung sein. Viele Forschende – Teams und Einzelpersonen – sowie andere Akteure aus dem Bereich Innovation werden von den attraktiven Fördermöglichkeiten profitieren können. Das EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation wird es erleichtern, in länderübergreifenden Projekten zusammenzuarbeiten – europäisch, aber auch weltweit.

Das EU-Rahmenprogramm beruht auf drei Säulen. Diese Säulen sind „Wissenschaftsexzellenz“, „Globale Herausforderungen und industrielle Wettbewerbsfähigkeit Europas“ sowie „Innovatives Europa“. Ergänzt werden sie durch den Bereich „Ausweitung der Beteiligung und Stärkung des Europäischen Forschungsraumes“.

Die zweite Säule umfasst sechs Cluster:

  1. Gesundheit
  2. Kultur, Kreativität und eine inklusive Gesellschaft
  3. Zivile Sicherheit für die Gesellschaft
  4. Digitalisierung, Industrie und Weltraum
  5. Klima, Energie und Mobilität
  6. Lebensmittel, Bioökonomie, natürliche Ressourcen, Landwirtschaft und Umwelt

Die Gemeinsame Forschungsstelle der Europäischen Kommission (JRC) ist ebenfalls in dieser Säule angesiedelt. Juristische Personen aus der EU und assoziierten Ländern können an Horizon Europe teilnehmen.

Mit Wirkung vom 1. Januar 2024 wurde das Vereinigte Königreich zu einem mit „Horizont Europa“ assoziierten Land. Seine Forschenden werden zu denselben Bedingungen wie Forschende aus anderen assoziierten Ländern an diesem Forschungs- und Innovationsprogramm der EU teilnehmen können und Zugang zu Mitteln aus „Horizont Europa“ haben.

Heute wurde der letzte Schritt abgeschlossen – der Sonderausschuss EU-Vereinigtes Königreich für die Teilnahme an Programmen der Union hat die politische Einigung über die Assoziierung des Vereinigten Königreichs mit „Horizont Europa“ und der Copernicus-Komponente des Weltraumprogramms angenommen.

Die Assoziierung des Vereinigten Königreichs mit „Horizont Europa“ wird die Beziehungen zwischen der EU und dem Vereinigten Königreich im Bereich Forschung und Innovation vertiefen und Forschungsgemeinschaften zusammenbringen, um globale Herausforderungen wie Klimawandel, digitaler Wandel und Gesundheit zu bewältigen.

Das vom Ausschuss angenommene Assoziierungsprotokoll ist integraler Bestandteil des Handels- und Kooperationsabkommens zwischen der EU und dem Vereinigten Königreich. Das Vereinigte Königreich wird für seine Teilnahme an „Horizont Europa“ durchschnittlich rund 2,43 Mrd. EUR pro Jahr und rund 154 Mio. EUR für die Teilnahme an Copernicus zum EU-Haushalt beitragen.

Weitere Informationen:

Horizontalaufnahme

Engl. horizontal view, franz. vue horizontale; nach DIN 18716 die "waagerechte Aufnahme mit einem Neigungswinkel ≈ 90°".

Horizontalentfernung

Engl. ground range, franz. distance au sol; nach DIN 18716 die "aus der gemessenen Schrägentfernung abgeleitete horizontale Distanz".

hot spot

In der Fernerkundung

  1. Reflexionsmaximum elektromagnetischer Strahlung an Vegetation-Boden-Oberflächen bei Variation der Beobachtungsrichtung, wenn die Sonne als ausschließliche Strahlungsquelle direkt hinter dem Beobachter / dem Sensor steht. Ist diese Bedingung gegeben, wird ein Höchstmaß an sonnenbeschienener Vegetation gesehen, während Schatten in der Vegetationsbedeckung oder am Boden durch die besonnten Anteile größtenteils abgedeckt werden. Das Maximum der Reflexion in retrosolarer Richtung wird von Form und Neigung (leaf-angle distribution, LAD) reflektierender Blattformationen abhängen. Die Amplitude der hot-spot-Reflexion nimmt in Funktion zunehmender Zenitdistanz der Sonne ab. Das Ausmaß an hot-spot-Reflexion variiert in Funktion der horizontalen und vertikalen Struktur der Vegetationsbedeckung. Die Messung von hot-spot-Reflexionswerten gestattet die Abschätzung von Biomasse und Grad der Bodenbedeckung. Aus der Veränderung der bidirektionalen Reflexionsfunktion (BDRF) im Bereich des hot spot können Aussagen über Blattformen und Blattgrößen getroffen werden.
  2. Lokal ausgeprägte Temperaturmaxima in Thermalbildern. Die Emission von elektromagnetischer Strahlung im thermischen Infrarot ist für spezifische Bereiche der Erdoberfläche und unter speziellen Konditionen signifikant höher als in den umgebenden Bereichen. Damit sind Rückschlüsse möglich auf thermale Strahlungsmaxima in urbanen Bereichen, die auf maximale Versiegelungsgrade verorten, aber auch auf thermale Strahlungsmaxima, die auf Umweltbelastungen hinweisen. Wichtige Beispiele sind die Dokumentation von Temperaturfahnen in Mündungsbereichen aufgeheizter Kühlwässer von Kraftwerken in Flüsse und Seen oder lokale Temperaturextrema in Deponieflächen, die auf chemische Aktivität unter Luftabschluss und/oder auf Austritte von aufgeheizten kontaminierten Deponiewässern in Vorfluter schließen lassen.

HRPT

Engl. Akronym für High Resolution Picture Transmissions; Wettersatellitenbilder insbesondere der NOAA werden als HRPT übertragen, chinesische Wettersatellitenbilder als Color High Resolution Picture Transmissions (CHRPT) oder Wettersatellitenbilder der EUMETSAT als Advanced High Resolution Picture Transmissions (AHRPT). HRPT-Übertragungen sind weltweit empfangbar und sowohl für Wettersatelliten mit polarer wie auch mit geostationärer Umlaufbahn verfügbar.

HRSC

Engl. Akronym für High Resolution Stereo Camera; deutsche hochauflösende Stereokamera als Beitrag für die ESA-Sonde Mars Express. HRSC erfasst die Hälfte der Oberfläche des Mars mit einer Auflösung von 10 bis 20 m pro Bildpunkt. Später sollen drei Viertel des Mars mit mindestens 40 m pro Bildpunkt und der gesamte Mars in einer Auflösung von wenigstens 100 m/Pixel abgebildet werden. Die Kartierung ist kein Selbstzweck, sondern dient der Beantwortung der Frage: Gab oder gibt es auf dem Mars Wasser in flüssiger Form und damit auch Leben in Gestalt von Mikroben oder primitiven Vielzellern?

Mars Express hatte den Roten Planeten im Dezember 2003 erreicht und führt seither seinen Auftrag derart erfolgreich aus, dass die aktuelle Mission und damit seine Betriebszeit bis mindestens Ende 2022 verlängert wurden.

High Resolution Stereo Camera AX
für den Einsatz in Flugzeugen HRSC-AX Quelle: DLR

Die Kamera besitzt neun quer zur Flugrichtung angeordnete Zeilensensoren, die aus jeweils über 5.000 sieben Mikrometern kleinen CCD-Pixeln bestehen. Fünf der Sensoren erzeugen aus verschiedenen Blickwinkeln die hochaufgelösten Aufnahmen als Grundlage für 3D-Bilder, vier Sensoren liefern multispektrale Aufnahmen im sichtbaren Wellenlängen- und im nahen Infrarot-Bereich.

Die HRSC arbeitet nach dem "Pushbroom"-Prinzip. Neun Bildstreifen werden gleichzeitig in Flugrichtung von neun parallel und hinter einem Objektiv installierten CCD-Sensoren aufgenommen. Fünf der neun CCD-Linien sind in spezifischen Blickwinkeln angeordnet, um die stereophotogrammetrischen Eigenschaften zu gewährleisten. Die anderen vier CCDs sind mit Filtern für die Aufnahme von Multispektralbildern versehen.

Eine modifizierte Version, HRSC-AX, ist für den Einsatz zur digitalen Photogrammetrie in Flugzeugen geeignet. Sie ist robust und mechanisch extrem stabil und erlaubt die Montage verschiedener INS-Systeme direkt am Sensorkopf. Sie verfügt über 9 Sensorzeilen mit je 12.000 Pixeln. Davon dienen 5 panchromatische Stereozeilen der Ableitung von Höheninformationen, während die übrigen 4 Zeilen mit Farbfiltern für infrarotes, rotes, grünes und blaues Licht ausgestattet sind.

Die HRSC wurde Anfang der 90er-Jahre am Institut für Optoelektronik des DLR in Oberpfaffenhofen unter Federführung von G. Neukum entwickelt und bei Dornier-Satellitensysteme (heute Airbus Defence and Space) in Immenstaad gebaut.

hrsc_flugweg hrsc_streifen Aufnahmeprinzip der HRSC-AX

Der HRSC-Sensor beinhaltet als Hauptkomponenten die eigentliche Kamera sowie Peripheriekomponenten für Stabilisierung, Datenspeicherung, Kamerasteuerung und für die Aufzeichnung der Navigationsdaten. Dazu gehören:

  • der Sony Hochgeschwindigkeits-Bandrecorder zur kontinuierlichen Aufzeichnung der Bilddaten über mehrere Stunden
  • eine kreiselstabilisierte Plattform der Firma Zeiss, um hochfrequente Vibrationen und mechanische Schwingungen des Flugzeuges zu dämpfen und durchgängig einen nadirnahen Blickwinkel zu gewährleisten
  • ein Integriertes Applanix-Navigationssystem, bestehend aus einem GPS-Empfänger und einem Inertialsystem (INS) zur fortlaufenden Registrierung der Position, Lage und Orientierung
Quelle: DLR

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HSB

Engl. Akronym für Humidity Sounder for Brazil; sondierender Sensor an Bord von Aqua zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit von der Erdoberfläche bis in eine Höhe von ca. 10 km. Aus den HSB-Daten können weiterhin Schlüsse über die Regenintensität in einem bestimmten Beobachtungsgebiet gezogen werden. Das Instrument ist wegen eines Spiegeldefekts seit 2003 außer Betrieb.

Weitere Informationen:

Hubble Space Telescope (HST)

Gemeinsame, langfristig angelegte Astronomie-Mission von ESA und NASA zur Beobachtung des Universums in einem Wellenlängenbereich, der von ultraviolett bis zu infrarot reicht. Dieses breite Spektrum kann abgedeckt werden, weil sich das Teleskop ausserhalb der irdischen Atmosphäre in 600 km über der Erde befindet.

HST ist nach Edwin Powell Hubble (1889–1953) benannt, der einer der großen Pioniere der modernen Astronomie war.

Das Universum ist für sichtbares Licht (VIS) transparent, auch wenn es riesige Strecken während Milliarden von Jahren zurücklegt. Millisekunden bevor es aber die Teleskopspiegel auf der Erdoberfläche erreicht, muss es unsere turbulente Atmosphäre durchdringen, und die feinen kosmischen Details werden verzerrt. Diesselbe atmosphärische Turbulenz bewirkt auch das nächtliche Glitzern der Sterne.

Demgegenüber kann HST mit Sensoren Licht aufspüren, die fünfmal schärfer sind, als die der besten bodenstationierten Teleskope. Das Herzstück des HST sind ein Primärspiegel mit 2,4 m Durchmesser und vier wissenschaftliche Instrumente, die das optische Spektrum vom infraroten, über das sichtbare, bis zum ultravioletten Licht abdecken. Es gibt eine Kamera, eine Kamera/Spektrograph-Kombination und eine Anzahl von Zielfindungssensoren für das Teleskop.

Der Betrieb eines Teleskops außerhalb der Erdatmosphäre hat große Vorteile, da deren Filterwirkung auf bestimmte Wellenlängen im elektromagnetisches Spektrum, zum Beispiel im Ultraviolett und im Infrarot, entfällt. Es treten auch keine Störungen durch Luftbewegungen auf (Szintillation), die bei terrestrischen Teleskopen nur mit großem Aufwand ausgeglichen werden können.

Mit seiner komplexen Instrumentierung wurde das Hubble-Weltraumteleskop für vielfältige Aufgaben konstruiert. Besondere Aufmerksamkeit galt einem Programm, durch Beobachtung von Cepheiden in nahen Galaxien (bis zu einer Entfernung von etwa 20 Mpc) die genaue Entfernung dieser Galaxien zu bestimmen. Durch Vergleich mit der Radialgeschwindigkeit der Galaxien sollte sich die Hubble-Konstante, die die Ausdehnung des Universums bestimmt, und somit auch das Alter des Universums berechnen lassen. Nach Behebung der Anfangsschwierigkeiten war das HST in diesem und anderen Bereichen erfolgreich.

Besonders bekannte Ergebnisse sind:

HST ist für Servicearbeiten im All ausgelegt, sodass veraltete oder fehlerhafte Geräte ausgetauscht werden können. HST war 1990 vom Space Shuttle Discovery im All ausgesetzt worden, spätere Missionen übernahmen die Wartung. Das Hubble-Teleskop zeigt nach über 30 Betriebsjahren inzwischen deutliche Abnutzungserscheinungen. Einige Komponenten sind mittlerweile ausgefallen und man musste auf die Backupsysteme umschalten. Hubble wird wahrscheinlich noch bis mindestens 2026 für Forschungszwecke eingesetzt werden können.

Nachfolger für das Hubble-Teleskop ist das James Webb Space Telescope (JWST), dessen Start am 25. Dezember 2021 erfolgte. Es besitzt einen mehr als fünfmal so großen Spiegel und verfügt besonders im Infrarotbereich über erheblich größere Kapazitäten als Hubble, womit Objekte hinter besonders dichten Nebeln oder in extremen Entfernungen besser untersucht werden können. Das JWST ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, der ESA und der kanadischen Weltraumagentur.

Hubble Space Telescope (HST) während der Reparaturmission STS-82 Hubble Space Telescope

Hubble Space Telescope (HST) während der Reparaturmission STS-82 im Februar 1997. Die sechsköpfige Besatzung des Space Shuttles führte Wartungsarbeiten am Teleskop durch.

Das Hubble-Teleskop war von Anfang an auf Wartungen im Orbit ausgelegt worden, wodurch insgesamt fünf Space-Shuttle-Missionen zur Reparatur und Aufrüstung möglich waren.

Primäres Ziel dieser zweiten Servicemission war der Austausch zweier Sensoren. Zum einen wurde der Goddard High Resolution Spectrograph durch den Space Telescope Imaging Spectrograph ersetzt, zum anderen wurde der Faint Object Spectrograph für den Einbau des Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer ausgebaut. Hierdurch konnte das Auflösungsvermögen und die spektrale Genauigkeit massiv erhöht werden und es war erstmals möglich, Beobachtungen im infraroten Bereich durchzuführen.

Säulenartige Monstergebilde aus Gas und Staub aufgenommen vom HST

Eine neu montierte Kamera auf HST nahm dieses säulenartige Monstergebilde aus Gas und Staub auf. Es erhielt die Bezeichnung Cone Nebula (in NGC 2264). Der abgebildete Teil der Säule hat eine Längserstreckung von 2,5 Lichtjahren. Dies entspricht 23 Millionen Reisen zum Mond und zurück.

Diese Bildersequenz der Advanced Camera for Surveys demonstriert die Ausbreitung des Lichtechos, das durch einen ungewöhnlichen Sternenausbruch im Januar 2002 verursacht wurde. Das Licht des bizarren Sterns breitet sich im Raum aus und wird von den umgebenden Schalen aus Staub reflektiert. Es entsteht der Eindruck eines spektakulären, vielfarbigen Auges. Der rote Riese im Zentrum ist V838 Monocerotis, ca. 20.000 Lichtjahre von uns entfernt.

Quelle: ESA

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Hurrikan

Vom indianischen Wort "aracán" abgeleitet; tropischer Wirbelsturm als stärkste Variante tropischer Zyklonen. Hurrikane treten im Bereich Nordatlantik-Karibik-Golf von Mexiko-Nordostpazifik auf. Sie entstehen meist im Bereich von 8-30° N. Voraussetzungen für die Bildung sind großflächig auftretende Wassertemperaturen von mindestens 27 °C, eine starke Feuchteanreicherung der Luft, eine Anfangsstörung in der unteren Troposphäre (tropische Depression), die sich über einen tropischen Sturm in einen Hurrikan verwandelt, sowie eine schwache vertikale Änderung des Windes in Richtung und Stärke und eine benachbarte Antizyklone, die das Ausströmen von Luft aus dem Hurrikan in der obere Troposphäre fördert.

Die Hurrikansaison reicht in Abhängigkeit von den Wassertemperaturen und der allgemeinen Zirkulation von Juni bis November mit einem deutlichen Maximum im September. Hurrikane ziehen nach ihrer Entstehung nach W bis NW und in Einzelfällen über Mittelamerika hinweg zum Pazifik. Die Zuggeschwindigkeit ist mit meist 5-20 km/h sehr gering. Häufig erfolgt bereits im Bereich der Großen Antillen ein Umlenken nach N bis NW. Hurrikane wandeln sich in gewöhnliche Tiefdruckgebiete um, wenn sie sich nördlich von 30-35° N befinden oder mit Übertritt auf Land, wobei verheerende Niederschläge und Überschwemmungen auftreten können.

Hurrikane sind hinsichtlich Entstehung, Stärke, Zugbahn und Katastrophenmonitoring ein ideales Einsatzfeld für Fernerkundungsverfahren.

GOES-13 Sees Life and Death of Hurricane Sandy GOES-13 Sees Life and Death of Hurricane Sandy

Diese aus Satellitenbildern erstellte Animation zeigt den Lebenslauf des Hurrikans Sandy von seiner Entstehung über der Karibik am 21. Oktober 2012 über seine Zugbahn zur amerikanischen Ostküste bis zu seinem Übertritt auf das Festland. Die Animation reicht bis zum 31. Oktober als Sandy bereits abgeschwächt und zu einem 'normalen' Tiefdruckgebiet geworden war.

Zwei Kommentare auf der NASA-Seite:

On Nov 5, 2012 6:59 PM Guest wrote:

"Until seeing this video I really did not comprehend the enormity of this storm."

On Nov 3, 2012 2:20 PM Guest wrote:

"thank you for this i was able to see the hurricane that destroyed my aunts house"

Quelle: NASA (GOES Project) / NASA EO

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Huygens

Sonde der ESA zur Erkundung des größten Saturnmondes Titan; sie landete dort am 14. Januar 2005. Namensgeber war der holländische Astronom Christiaan Huygens. Die Sonde befand sich an Bord des amerikanischen Raumfahrzeugs Cassini.

Huygenssonde vor der Landung auf Titan Huygenssonde vor der Landung auf Titan

Die Sonde schwebt durch die überwiegend aus Stickstoff und Methan bestehende Titanatmosphäre (Juni 2004).

Rechts oben Cassini, im Hintergrund der Saturn.

Quelle: NASA

Weitere Informationen:

HydroGNSS

Die zweite Scout-Mission zur Erdbeobachtung, HydroGNSS, wird Messungen der wichtigsten hydrologischen Klimavariablen, einschließlich Bodenfeuchtigkeit, Frost-Tau-Zustand über Permafrost, Überschwemmungen und Feuchtgebieten sowie oberirdischer Biomasse, unter Verwendung einer Technik namens Global Navigation Satellite System (GNSS) Reflektometrie liefern. Der Satellit misst das von Land, Eis und Ozean reflektierte Signal von bestehenden GNSS-Missionen wie Galileo und GPS. Auf diese Weise wird es Missionen wie SMOS und Biomass der ESA, Copernicus Sentinel-1 und SMAP der NASA ergänzen.

Inzwischen wurde entschieden, dass die HydroGNSS-Mission der ESA nun aus zwei identischen Satelliten bestehen wird, um die Zeit zu halbieren, die benötigt wird, um denselben Ort auf der Erdoberfläche zu besuchen und verschiedene Klimavariablen wie die Bodenfeuchtigkeit erneut zu messen. Mit zwei Satelliten in der Umlaufbahn werden die wissenschaftlichen Ergebnisse dieser neuen Scout-Mission erheblich verbessert.

Während die Entwicklung des ersten HydroGNSS-Satelliten bereits im Gange ist, wird der zweite Satellit nun parallel gebaut, so dass er gemeinsam gestartet werden kann. Die beiden Satelliten werden jeweils nur 50x50x70 cm groß und etwa 65 kg schwer sein. Der Start ist für 2024 geplant.

Als Ergänzung zu den größeren Earth Explorer-Forschungsmissionen der ESA werden die Scouts entwickelt, um den entscheidenden Nutzen für die Geowissenschaft und praktische Anwendungen zu demonstrieren und gleichzeitig das Potenzial für eine spätere Aufstockung zu größeren Satellitenmissionen zu bewahren.

HydroGNSS Reflektometrie HydroGNSS Reflektometrie

HydroGNSS wird Messungen der wichtigsten hydrologischen Klimavariablen, einschließlich Bodenfeuchtigkeit, Frost-Tau-Zustand über Permafrost, Überschwemmungen und Feuchtgebieten sowie oberirdischer Biomasse, unter der GNSS-Reflektometrie liefern.
Auf diese Weise wird er Missionen wie SMOS und Biomass der ESA, Copernicus Sentinel-1 und SMAP der NASA ergänzen.

Quelle: ESA

Weitere Informationen:

HYDROS

Engl. Akronym für Hydrosphere State; 2005 in der Entwicklungsphase aus Budgetgründen eingestellte Satellitenmission der NASA. Sie sollte im Rahmen von ESSP zur globalen Erkundung der wechselnden Bodenfeuchte und der Gefrier- und Auftauvorgänge an der Erdoberfläche dienen. Beide Faktoren bestimmen den Zustand der Hydrosphäre auf Land. Die Erkenntnisse sollen der Verbesserung von Wetter- und Klimavorhersagen dienen, sowie des Verständnisses der Abhängigkeiten zwischen Wasser-, Energie- und Kohlenstoffkreisläufen. Man erwartete auch praktische Informationen hinsichtlich klimasensitiver sozio-ökonomischer Aktivitäten (Wasserwirtschaft, Landwirtschaft, Monitoring von Feuer-, Hochwasser-, Dürrekatastrophen).

Geplant war der Einsatz einer Kombination aus einem aktiven und einem passiven System (L-Band-Radar und Radiometer). Aufbauend auf HYDROS erfolgte im Jahr 2015 der Start der Mission SMAP (Soil Moisture Active-Passive).

hyperspektral

Als hyperspektral bezeichnet man in der Fernerkundung ein Sensorsystem, das Bilder von sehr vielen, eng beieinanderliegenden Wellenlängen aufzeichnen kann. Das Auge sieht die Umwelt multispektral in den Wellenlängen der Grundfarben Rot, Grün und Blau. Gleichermaßen nehmen multispektrale Sensoren die von der Erdoberfläche reflektierte Strahlung in sehr breiten Kanälen auf.

Hyperspektrale Sensoren hingegen zeichnen die Strahldichte kontinuierlich in vielen schmalen Kanälen (20 bis 250) auf. Deren Wellenlängen reichen vom ultravioletten Bereich bis zum langwelligen Infrarot reichen. Hyperspektralsensoren werden in der Regel von Flugzeugen oder Satelliten aus eingesetzt. Aus den Reflexionseigenschaften von Vegetation und Bodenformationen lassen sich z. B. über Vegetationsindizes Aussagen über den Gesundheitsstatus der Pflanzen ableiten. Im Gegensatz zu einer panchromatischen Aufnahme erhält man eine geringere räumliche Auflösung.

Hyperspektralbild

Engl. hyperspectral image, franz. image hyper spectrale; nach DIN 18716 das "Ergebnis der gleichzeitigen Aufnahme des gleichen Geländes in einer Vielzahl schmalbandiger Spektralbereiche".

Die hyperspektrale Bildgebung erzeugt ein Bild, bei dem die Reflexion von jedem Pixel in vielen engen, zusammenhängenden Wellenlängenintervallen gemessen wird. Ein solches Bild liefert detaillierte spektrale Signaturen für jedes Pixel. Diese Signaturen liefern oft genug Informationen, um das/die in den Pixeln vorhandene(n) Material(ien) zu identifizieren und zu quantifizieren.

Dementsprechend sind die Hauptunterschiede zwischen der panchromatischen, multispektralen und hyperspektralen Datenerfassung die Breite und Anzahl der Aufnahmebänder. Während panchromatische Sensoren mit einem einzigen breiten Aufnahmeband arbeiten, besitzen Multi- und Hyperspektralinstrumente zur Steigerung der spektralen Auflösung eine größere Anzahl schmalerer Aufnahmekanäle. Hyperspektralsensoren können dabei bis zu mehreren hundert dicht nebeneinanderliegende Aufnahmebänder aufweisen.

Mit derartigen Instrumenten kann ein kontinuierliches Spektrum und damit eine Art „spektraler Fingerabdruck“ von Objekten aufgenommen werden. Dadurch können beispielsweise verschiedene Arten von Vegetation und unterschiedliche Bodenbeschaffenheiten anhand ihrer charakteristischen Absorptions- und Reflexionseigenschaften differenziert werden. Dabei ist die Informationsdichte so hoch, dass beispielsweise die Unterscheidung von Pflanzengesellschaften, mitunter auch einzelner Pflanzenarten oder Gesteinszusammensetzungen aus mehreren hundert Kilometern Entfernung möglich ist. Zudem kann anhand der Reflexionseigenschaften im Infrarotbreich der Gesundheitszustand von Vegetation erfasst werden: Gesunde Pflanzen produzieren den Blattfarbstoff Chlorophyll, der im Vergleich zum Bereich des sichtbaren (und insbesondere grünen) Lichts im Infrarotbreich sechsmal stärker reflektiert.

Die luftgestützte Hyperspektralmessung wird mit bildgebenden Spektrometern durchgeführt, die z.B. in Helikoptern oder in kleinen zweimotorigen Flugzeugen montiert sind. Die Flugrouten werden so geplant, dass sich benachbarte Streifen überlappen, um eine vollständige Bodenbedeckung zu gewährleisten. Jeder Streifen besteht aus aufeinanderfolgenden Scanlinien, die vom Scanner entlang der Fluglinie erfasst werden. Hyperspektrale Vermessungen erfassen daher Bilder von der Erdoberfläche in engen, zusammenhängenden Wellenlängenabschnitten oder Spektralbändern, um einen Datenwürfel zu erstellen, aus dem von jedem Pixel im Bild diagnostische Spektren gewonnen werden können.

Hyperspektrale Datengewinnung Hyperspektrale Datengewinnung Quelle: BGR

Hyperspektrale Bildgebungssysteme werden in verschiedenen Bereichen wie Mineralogie, Biologie, Verteidigung und Umweltwissenschaften eingesetzt und vor allem in der geographischen Fernerkundung. Hyperspektraldaten werden dabei zumeist nicht zur direkten Betrachtung verwendet. Vielmehr werden sie in komplexen mathematischen Verfahren, gemeinsam mit anderen Datenquellen, ausgewertet und verschnitten. Die daraus resultierenden Informationen über eine Eigenschaft der aufgenommenen Fläche können anschließend in thematischen Karten, beispielsweise Biotoptypenverteilungen, dargestellt werden.

hyperspektrale Fernerkundung

Verfahren, bei dem mit Hilfe spezieller Multispektral-Scanner oder besser Hyperspektral-Scanner mit mehr als 200 Kanälen, Daten des elektromagnetischen Spektrums, die bei der Rückstreuung von Strahlung, beispielsweise des Sonnenlichts, an der Erdoberfläche entstehen (Radianz, Reflektanz), aufgenommen und gezielt ausgelesen werden.

Multispektrale Fernerkundungssensoren wie Landsat TM oder SPOT XS nehmen Daten in wenigen, relativ breiten Spektralkanälen auf. Im Gegensatz dazu arbeiten hyperspektrale Sensoren, wie HyMap, nach dem Prinzip eines bildgebenden Spektrometers und registrieren die Strahlungsintensitäten in Dutzenden oder hunderten eng benachbarten schmalen spektralen Kanälen vom sichtbaren Licht bis in den mittleren Infrarotbereich.

Unterschiedliche Materialien wie Minerale, Gesteine, Böden und Vegetation besitzen unterschiedliche Absorptions- beziehungsweise Reflexionsbande im elektromagnetischen Spektrum und lassen sich daher über diese Spektren identifizieren. Für jedes Pixel, das von einem abbildenden Spektrometer aufgenommen wurde, ergeben sich daher bei einer großen Anzahl von Messwerten (in 50 bis 300 Kanälen) materialspezifische Reflexionskurven.

Diese Hyperspektraldaten können mittels digitaler Bildverarbeitung und spezieller Software-Pakete (zum Beispiel ENVI) sichtbar gemacht, bearbeitet und interpretiert werden. Man kann auf diese Weise Materialien an der Erdoberfläche mithilfe von Fernerkundungsdaten identifizieren.

Hyperspektrale Bilder zielen darauf ab, ein nahezu kontinuierliches Spektrum für jedes Pixel im Bild einer Szene zu erhalten, wodurch die Vorteile der multispektralen Bilder erweitert werden, bei denen die Lichtintensität auf einer begrenzten Anzahl separater Bänder des elektromagnetischen Spektrums gemessen wird. Die Abbildung unten zeigt ein Beispiel für die Darstellung eines hyperspektralen Datenprodukts, wobei jede Schicht des Würfels dieselbe 2D-Szene abbildet, die in einer bestimmten Wellenlänge λ beobachtet wurde. Für jedes Pixel erfasst ein hyperspektraler Sensor die Lichtintensität für eine große Anzahl (typischerweise einige zehn bis mehrere hundert) aneinandergrenzender schmaler Spektralbänder. Jedem Pixel im Bild ist somit ein nahezu kontinuierliches Spektrum zugeordnet. Die hohe spektrale Auflösung eines hyperspektralen Imagers ermöglicht die Detektion, Identifizierung und Quantifizierung von Oberflächenmaterialien sowie die Ableitung biologischer und chemischer Prozesse. Die hyperspektrale Erdbeobachtung war lange hauptsächlich auf Luftbilder und wissenschaftliche Demonstrationsmissionen beschränkt. Neue Wege wurden mit dem Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) beschritten, einer deutschen hyperspektralen Satellitenmission zur regionalen Charakterisierung und Überwachung der Erdoberfläche auf globaler Skala.

Beispiel eines hyperspektralen Datenprodukts Beispiel eines hyperspektralen Datenprodukts (data cube)

Dieser "Bildwürfel" (data cube) von JPL's Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) zeigt den Umfang der Daten, die das Instrument liefert. AVIRIS nahm die Daten am 20. August 1992 auf, als es mit einem ER-2-Flugzeug der NASA in einer Höhe von 20.000 Metern über Moffett Field, Kalifornien, am südlichen Ende der Bucht von San Francisco, geflogen wurde.

Der obere Teil des Würfels ist ein Falschfarbenbild, das die Strukturen im Wasser und in den Verdunstungsteichen auf der rechten Seite hervorhebt. Auf der Oberseite des Würfels ist auch der Flughafen Moffett Field zu sehen.

Die Seiten des Würfels sind Schnitte, die die Kanten der Oberseite in allen 224 AVIRIS-Spektralkanälen zeigen. Die oberen Bereiche der Seiten liegen im sichtbaren Teil des Spektrums (Wellenlänge 400 Nanometer), die unteren im infraroten Bereich (2.500 Nanometer). Die Seiten sind pseudofarbig und reichen von Schwarz und Blau (geringe Reaktion) bis Rot (hohe Reaktion).

Von besonderem Interesse ist der kleine Bereich mit hoher Reaktion in der oberen rechten Ecke der größeren Seite. Diese Reaktion liegt im roten Bereich des sichtbaren Spektrums (etwa 700 Nanometer) und ist auf das Vorhandensein von 1 Zentimeter langen roten Salzwassergarnelen im Verdunstungsteich zurückzuführen.

Quelle: NASA/JPL

Hyperspektrale Fernerkundung bei der BGR als Beispiel

In der Fernerkundung der BGR werden Hyperspektraldaten zur flächenhaften Kartierung und Quantifizierung von Mineralogie, Lithologie und Böden in unterschiedlichen Maßstäben eingesetzt. Die Schwerpunktaufgaben der Fernerkundung liegen dabei auf der Verschneidung der spektralabgeleiteten mineralogischen Informationen mit Informationen aus Geologie, Geophysik, Geochemie und Mineralogie und auf der Entwicklung von Expertensystemen, die eine synergistische Nutzung der verschiedenen Informationen ermöglicht. Damit werden wichtige Informationen, wie zum Beispiel flächenhafte Mineralvergesellschaftungen, Ableitung der Härte eines Gesteins, Detektion bestimmter Mineralphasen, für die Rohstoffexploration und -exploitation geliefert. Die Charakterisierung und Kartierung von Böden kann durchgeführt und die Überwachung von Abraumhalden sowie der Abbaufortschritt im Bergbau unterstützt werden. Weitere Einsatzgebiete sind u.a. die Detektion von Kohlenwasserstoffen in Gesteinen zur Unterstützung der Bewertung potentieller kohlenstoffführender Gesteine.

In der hyperspektralen Fernerkundung, auch abbildende Spektrometrie genannt, wird sowohl die reflektierte Sonnenstrahlung als auch die emittierte Strahlung, auch Eigenstrahlung, der Erdoberfläche mittels einer hohen Anzahl an schmalen Kanälen in kontinuierlichen Spektren aufgezeichnet. Diese Daten ermöglichen die Identifizierung und Quantifizierung der stofflichen Zusammensetzung von Oberflächen anhand von diagnostischen Spektralmerkmalen, die durch die Interaktion der elektromagnetischen Strahlung mit den Atomen und Molekülen eines Körpers/Oberfläche entstehen. Die Spektralmerkmale zeigen sich dabei als Reflexionsminima (Absorptionen) oder als Reflexionsmaxima (Peaks). Für eine Spektralanalyse wird sowohl die Position und Form als auch die Intensität eines Merkmales je nach Anforderung mathematisch beschrieben und extrahiert.

Für spektrale Analysen in der Fernerkundung der BGR werden folgende Wellenlängenbereiche genutzt: Der solar-optische Bereich (Reflexion des Sonnenstrahlung) umfasst dabei die sichtbare Strahlung (VIS), das nahe Infrarot (NIR) und das kurzwellige Infrarot (SWIR). Die emittierte Strahlung umfasst den Bereich des mittleres Infrarots (MIR) von 3 – 5 µm und den des langwelliges Infrarots (LWIR) von 7 bis 12 µm, der auch als thermales Infrarot (TIR) bezeichnet wird. (BGR)

Weitere Informationen:

hyperspektrale Scanner

Abbildende Spektrometer, die multispektrale Daten in sehr engen Spektralbändern des sichtbaren Lichts, des nahen und mittleren Infrarots aufzeichnen. Dies unterscheidet sie von konventionellen multispektralen Sensoren, wie Landsat TM oder SPOT XS, welche die von der Erdoberfläche reflektierte Strahlung in sehr breiten und mit sehr wenigen Kanälen aufnehmen.

Die hohe spektrale Auflösung der objektspezifischen spektralen Signaturen in mehr als 15, generell jedoch in 30-200 aneinandergrenzenden Kanälen gestattet die Dokumentation eines nahezu kontinuierlichen Spektrums für jedes Bildelement. Damit können Objekte der Erdoberfläche getrennt und dementsprechend klassifiziert werden, die charakteristische Absorptions- und Reflexionseigenschaften in sehr schmalen Spektralbändern aufweisen und von den konventionellen operationellen Sensorsystemen der Erdbeobachtung nicht aufgelöst werden können. Dies sind Breitbandsensoren, die überdies z.T. nicht benachbart sind. Einige hyperspektrale Sensoren haben zusätzlich multispektrale Kanäle im thermalen Bereich.

Der HyMap™ Hyperspektral-Scanner,
installiert in einer Cessna 402hymap_do228 Quelle: NASA

Bis vor einigen Jahren waren hyperspektrale Scanner nur auf Flugzeugplattformen im Einsatz. Zu ihnen zählen AVIRIS, CASI, DAIS 7915, GERIS, MIVIS und der australische HyMap. Die spektrale Abdeckung von HyMap beträgt 450 - 2500 nm bei einer Aufteilung in 128 Spektralbänder, wobei je 32 Bänder auf eines der 4 Sensormodule entfallen. Die räumliche Auflösung des Sensors variiert je nach Flughöhe zwischen 3 m und 10 m,  abhängig von der Flughöhe (2000 - 5000 m). Dieser Sensor wurde ursprünglich für die Prospektion von Bodenschätzen entwickelt, gewann aber immer stärkere Bedeutung in der Umweltüberwachung.

Als erste derartige Sensorsysteme auf Satellitenplattformen gelten MODIS auf EOS/AM-1 (Terra) und Hyperion im Rahmen der Mission EO-1 der NASA.

Seit dem 1. April 2022 ist EnMAP im All, ein deutscher Erdbeobachtungssatellit, der mittels abbildender Spektroskopie die Erdoberfläche diagnostisch charakterisieren und Umweltveränderungen aufzeichnen wird. Das Instrument Hyper Spectral Imager (HSI) auf EnMAP gewinnt Daten mit mehr als 200 Messkanälen im Spektralbereich zwischen 420 und 2.450 nm.

Ziel ist das getrennte Aufzeichnen verschiedener teils eng beieinander liegender Lichtfrequenzen (hyperspektral) von der Erdoberfläche. Aus der Analyse dieser Daten lassen sich Informationen u. a. über Vegetations-, Boden- und Wasserparameter ableiten, die wiederum Rückschlüsse auf Veränderungen der Umwelt ermöglichen.

Anwendungsbereiche umfassen unterschiedliche ökologische Fragestellungen und reichen von der Land- und Forstwirtschaft über die Geologie bis hin zur Erforschung von Küsten- und Binnengewässern.