EarthCARE

Engl. Akronym für Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer; eine europäisch-japanische Mission zur Untersuchung von Wirkung und Wechselwirkung von Aerosolen und Wolken in Bezug auf die Strahlungsbilanz der Erde. Der Start der auf zwei Jahre ausgelegten Mission erfolgte am 29. Mai 2024 in Vandenberg (Kalifornien) mit einer Falcon-9-Rakete.

Die Mission

EarthCare ist die sechste Earth-Explorer-Mission der ESA im Rahmen ihres Erderkundungsprogramms „Living Planet“. Als industrieller Hauptauftragnehmer war Airbus D&S verantwortlich für Entwicklung und Bau des Erdbeobachtungssatelliten. Gemeinsam mit der japanischen Raumfahrtagentur JAXA startete die Europäische Weltraumorganisation ESA diese bislang größte und komplexeste Earth-Explorer-Erdbeobachtungsmission.

Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist wesentlich in die EarthCARE-Mission eingebunden – einer Mission im Rahmen des ESA Erdbeobachtungsprogramms FutureEO, in dem Deutschland von Beginn an Programmführer war und sich bis heute mit mehreren hundert Millionen Euro beteiligt. Zusätzlich werden mehrere Millionen Euro aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm bereitgestellt, um die Nutzung der EarthCARE-Daten während des Betriebs durch deutsche Forscherinnen und Forscher und ein Projektbüro vorzubereiten und den Betrieb durch deutsche Forschungseinrichtungen und Universitäten zu unterstützen. Letztere leisten einen der wesentlichsten Beiträge in Europa zur Validierung und werden durch eine Flugkampagne, mit dem deutschen Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) substantiell unterstützt. Diese Kampagne wird vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und dem Max-Planck-Institut für Meteorologie koordiniert.

EarthCARE - Infografik Quelle: ESA

Ziele

die Sonneneinstrahlung ist die maßgebliche Größe für das Klimageschehen und die Wetterdynamik auf unserer Erde, denn sie treibt die Zirkulation in der Atmosphäre an. Diese Strahlung ist in der Lufthülle allerdings sehr unterschiedlich verteilt und tritt dort zudem noch in Wechselwirkung mit Wolken, Spurengasen und Aerosolen – Schwebeteilchen aus kleinsten festen und flüssigen Partikeln. Um in naher Zukunft noch genauere Vorhersagen machen zu können, müssen wir die bisher noch nicht so gut bestimmbaren Parameter zu Aerosolen und Wolken global besser kennen und deren Wechselwirkungen in der Erdatmosphäre entschlüsseln. Dadurch und mit der Messung der Strahlungsdichte kennen wir den Strahlungshaushalt unseres Heimatplaneten wesentlich genauer, als wir das heute tun. 

Die EarthCARE-Mission zielt auf eine bessere Darstellung und Erfassung des irdischen Strahlengleichgewichts in Klima- und digitalen Wettervorhersagemodellen ab. Dies soll durch die Ermittlung der vertikalen Verteilung von Wolken und Aerosolen sowie die Messung der Strahlung in der oberen Atmosphäre erfolgen. Aerosole bestimmen die Zusammensetzung der Wolken, die wiederum für die Bildung von Niederschlägen verantwortlich sind.

Die Wärmeströmung beeinflusst ihrerseits die Feuchtigkeit in der Stratosphäre. Die Beobachtungen von EarthCARE werden somit durch die verbesserte Darstellung von Wolken-, Aerosol- und Strahlungsprozessen zu zuverlässigeren Klima- und genaueren Wettervorhersagen beitragen.

Nutzlast

Der Satellit besitzt ein Startgewicht von 2,35 Tonnen und läuft in einer quasi-polaren Umlaufbahn mit einem Neigungswinkel von 97° und auf einer Höhe von etwa 400 Kilometern. Seine Nutzlast besteht aus vier Instrumenten: ein von der JAXA entwickeltes Wolkenradar, ein Breitbandradiometer und ein Multispektralbildgeber (MSI), die von der ESA entwickelt wurden, sowie ein Rückstreulidar (ATLID). Der Instrumentensatz wurde optimiert, um entlang der Flugbahn des Satelliten Daten über nebeneinander liegende Bereiche der Atmosphäre bereitzustellen.

Lidar verwendet das gleiche Prinzip wie SAR, funktioniert aber im IR-, sichtbaren oder UV-Wellenlängenbereich. Lidargeräte werden zur präzisen Messung topographischer Merkmale, zur Überwachung des Wachstums oder Rückgangs von Gletschern, zur profilierenden Beobachtung von Wolken, zur Messung von Winden, zur Untersuchung von Aerosolen und zur Quantifizierung verschiedener atmosphärischer Komponenten eingesetzt.

Die Nutzlast des Satelliten besteht aus vier Instrumenten (vgl. Abb.):

• Das Atmospheric Lidar (ATLID) ist ein linear polarisiertes High Spectral Resolution Lidar (HSRL) welches mit vertikalen Profilen Aerosole, Wolken und Niederschläge charakterisieren soll.
  ATLID arbeitet im UV-Bereich bei 355 nm und liefert atmosphärische Echos mit einer vertikalen Auflösung von etwa 100 m vom Boden bis zu einer Höhe von 20 km und 500 m von einer Höhe von 20 km bis 40 km. Das Messprinzip, das für ATLID gewählt wurde, nutzt die Tatsache, dass die Wechselwirkung von Licht mit Molekülen oder Aerosolen zu unterschiedlichen Spektren führt. ATLID ist nach Aeolus das zweite europäische Lidar und macht Airbus zu einem weltweiten Spezialisten für weltraumgestützte Lidars.
  
• Das Cloud Profiling Radar (CPR) liefert vertikale Profilmessungen von Wolken und besitzt die Fähigkeit, die Vertikalgeschwindigkeit von Wolkenpartikeln durch Dopplermessungen zu beobachten.
  Das CPR arbeitet mit einer Frequenz von 94 GHz und soll mit Hilfe des Doppler-Signals von -10 bis 10 ms-1 die vertikal aufgelöste Wolkenstrukturen und -zirkulation darstellen. Das Instrument schaut im Nadir-Winkel mit einem Ausbreitungswinkel von 0.095°, woraus sich ein Fußabdruck von etwa 660 m ergibt. Das Radar transmittiert überlappende EIK Pulse von 3.3 s mit einer Wiederholfrequenz von 6100-7500 Hz. Die sich daraus ergebende Auflösung des Instruments beläuft sich auf 500 m sowohl horizontal als auch vertikal.
  
• Der Multispektralbildgeber (MSI) liefert Informationen zu Wolken und Aerosolen quer zur Flugrichtung, wobei er Kanäle im sichtbaren Bereich, nahen Infrarot, im kurzwelligen und thermalen Infrarot verwendet.
  Dadurch wird er entlang des Flugweges die Messungen von ATLID und CPR mit zusätzlichen Informationen von Aerosol- und Wolkencharakteristiken komplementieren. Dies wir durch zwei Kameras ermöglicht, welche solare und thermische Infrarotstrahlung (TIR), sowie sichtbare, mittlere und kurze Infrarotstrahlung (VNS) detektieren. Damit die Messungen nicht von direkter Sonneneinstrahlung beeinflusst werden ist der Beobachtungsbereich nicht symmetrisch über dem Flugweg, sondern 115 km rechts bis 35 km links davon. Die absolute Messgenauigkeit beläuft sich dabei auf etwa 5 – 10%.
  
• Das Breitbandradiometer (BBR) liefert Messungen der Strahlung in der oberen Atmosphäre. Es hat einen kurzwelligen und einen langwelligen Kanal für drei fixe Beobachtungswinkel, die in Flugrichtung, senkrecht nach unten und rückwarts ausgerichtet sind.
  Bei dem Instrument handelt es sich um ein Imaging Radiometer mit drei Teleskopen mit unterschiedlich fixierten Beobachtungswinkeln. Jedes dieser Teleskope hat ein 10 km breites Blickfeld mit einem gesamten Fußabdruck von ca. 30 x 1-1,5 km. Dieser Messaufbau erlaubt die Rückführung der Signale auf unterschiedliche Höhen zwischen dem Satelliten und dem Erdboden, was wiederum eine Strahlungsflussberechnung ermöglicht.

EarthCARE - seine vier Instrumente ATLID, CPR, MSI, BBR und ihre Beobachtungsgeometrie Quelle: ESA

Weitere Informationen:

• Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer (ESA)
• EarthCare (earth online)
• EarthCare-Profil im CEOS EO Handbook (CEOS / ESA)
• EarthCare (eoPortal Directory)
• Den Wechselwirkungen in der Erdatmosphäre auf der Spur (DLR 2024)
• Beyond cloud nine: 10 reasons to be excited about EarthCARE (ESA earth online)
• EarthCARE launched to study role of clouds and aerosols in Earth's climate (ESA)
• EarthCARE – Den Wechselwirkungen in der Atmosphäre auf der Spur (DWD, Thema des Tages 13.6.2024)