ECOSTRESS

Engl. Akronym für Ecosystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station; ECOSTRESS ist ein laufendes wissenschaftliches Experiment, bei dem ein auf der Internationalen Raumstation (ISS) montiertes Radiometer die Temperatur von Pflanzen misst, die an bestimmten Orten auf der Erde im Laufe eines Sonnenjahres wachsen. Diese Messungen geben den Wissenschaftlern Aufschluss über die Auswirkungen von Ereignissen wie Hitzewellen und Dürreperioden auf die Pflanzen.

Das ECOSTRESS-Radiometer befindet sich auf der ISS auf dem japanischen Experimentmodul - External Facility Site 10. Ziel ist es, wissenschaftliche Fragen im Zusammenhang mit der Reaktion der Biosphäre auf die Wasserverfügbarkeit zu beantworten.

Die von ECOSTRESS aufgenommenen Bilder sind die detailliertesten Temperaturbilder der Oberfläche, die jemals aus dem Weltraum aufgenommen wurden, und können zur Messung der Temperatur eines einzelnen Feldes verwendet werden.

ECOSTRESS auf der ISS Quelle: ESA

Das Instrument, das diese Daten sammelt, ist ein multispektrales, im thermischen Infrarot arbeitendes Radiometer. Es misst die Temperaturen auf der Erdoberfläche und nicht die Lufttemperatur. Die ECOSTRESS-Daten werden im Land Processes Distributed Active Archive Center (LP DAAC) archiviert, einem vom United States Geological Survey (USGS) verwalteten Datenzentrum. ECOSTRESS-Daten können über verschiedene Plattformen abgerufen werden, unter anderem über das Tool AppEEARS (Application for Extracting and Exploring Analysis Ready Samples) des LP DAAC, mit dem die Benutzer Daten schnell unterteilen und in ein geographisches Lat/Lon-Format umprojizieren können. Die gesammelten Daten werden auch über das frei zugängliche TERN Data Discovery Portal in Australien veröffentlicht.

Das ECOSTRESS-Radiometer wurde am JPL gebaut und arbeitet mit fünf Spektralbändern im thermischen Infrarot (8-12 Mikrometer) und einem Band im kurzwelligen Infrarot, das für die Geolokalisierung verwendet wird. Das Instrument hat eine Wiederbesuchsrate von 1 bis 5 Tagen und besitzt eine Bodenauflösung von 70 m.

ECOSTRESS wurde nach seinem Start von Cape Canaveral, Florida, am 29. Juni 2018 mit dem SpaceX Dragon zur ISS gebracht. Der Dragon erreichte die Raumstation am 3. Juli 2018. Das Radiometer wurde am Kibo-Modul der Station montiert.

Zu den wichtigsten wissenschaftlichen Fragen, mit denen sich ECOSTRESS befasst, gehören:

• Wie reagiert die terrestrische Biosphäre auf Veränderungen in der Wasserverfügbarkeit?
• Wie wirken sich Veränderungen im täglichen Wasserstress der Vegetation auf den globalen Kohlenstoffkreislauf aus?
• Kann die Anfälligkeit der Landwirtschaft durch eine fortschrittliche Überwachung des landwirtschaftlichen Wasserverbrauchs und eine verbesserte Einschätzung von Dürreperioden verringert werden?

Die ECOSTRESS-Mission gibt Antworten auf diese Fragen, indem sie die Temperatur von Pflanzen genau misst. Pflanzen regulieren ihre Temperatur, indem sie Wasser durch winzige Poren auf ihren Blättern, die Spaltöffnungen, abgeben. Wenn sie genügend Wasser haben, können sie ihre Temperatur halten, aber wenn nicht genügend Wasser vorhanden ist, steigt ihre Temperatur an, und dieser Temperaturanstieg kann mit ECOSTRESS gemessen werden. Die von ECOSTRESS aufgenommenen Bilder sind die detailliertesten Temperaturbilder der Erdoberfläche, die jemals aus dem Weltraum aufgenommen wurden, und können zur Messung der Temperatur eines einzelnen Ackers verwendet werden.

Eines der wichtigsten Produkte, die das ECOSTRESS-Team erstellen wird, ist der Verdunstungsstressindex (ESI). Der ESI ist ein vorlaufender Dürreindikator - er kann anzeigen, dass Pflanzen gestresst sind und dass eine Dürre wahrscheinlich eintreten wird, was den Entscheidungsträgern die Möglichkeit gibt, Maßnahmen zu ergreifen.

Das folgende Bild zeigt die Evapotranspiration (ET), die mit dem DisALEXI-Algorithmus und ECOSTRESS-Eingabedaten berechnet wurde. Die Daten wuden am 15. April 2020 um 16:51 Uhr Ortszeit über der SHIFT-Region von Santa Barbara, Kalifornien, erfasst. Die Region weist eine variable ET auf, die weitgehend mit der Topographie korreliert.

Santa Barbara - Evapotranspiration (ET) Quelle: NASA / JPL

Die SBG High Frequency Time series (SHIFT) Kampagne wird wöchentlich AVIRIS-NG und gelegentlich HyTES Daten über Santa Barbara und Umgebung sammeln. Derzeit gibt es keine dichten Zeitserien-Hyperspektraldatensätze. Daher wird SHIFT eine wichtige Kampagne sein, um die Anforderungen an die Wiederholung von Missionen und die Harmonisierung im Zusammenhang mit phänologischen Veränderungen zu verstehen.

SHIFT bietet eine einzigartige Möglichkeit für die Simulation realistischer SBG-VSWIR-Daten, und die Fusion mit ECOSTRESS wird eine echte Simulation von SBG-VSWIR + SBG-TIR für eine vollständige Missionssimulation ermöglichen. Die Kombination beider Wellenlängenbereiche ist wichtig für die Charakterisierung der Evapotranspiration und ihrer Beziehung zu den funktionalen Merkmalen von Pflanzen sowie für die Charakterisierung der Beziehung zwischen der Wasseroberflächentemperatur und den VSWIR-Variablen im Wasser.

Bedeutung von ECOSTRESS für die ESA-Mission LSTM

Für die ESA ist ECOSTRESS wichtig, weil es zur Entwicklung eines neuen Copernicus-Sentinel-Satelliten beiträgt: der Mission zur Überwachung der Landoberflächentemperatur (Land Surface Temperature Monitoring, LSTM).

Die ESA nutzt das Instrument, um die Daten zu simulieren, die schließlich von LSTM geliefert werden. LSTM wird systematische Messungen der Temperatur der Landoberfläche liefern, die beispielsweise für Stadtplaner und Landwirte von großer Bedeutung sein werden.

Beide Raumfahrtagenturen arbeiten eng zusammen, um die beiden Missionen, einschließlich der JPL-Mission zur Oberflächenbiologie und -geologie, möglichst synergetisch zu nutzen. Diese Zusammenarbeit ist Teil des übergeordneten Ziels, gemeinsam eine Antwort auf den Klimawandel zu finden - das kürzlich unterzeichnete NASA-ESA-Rahmenabkommen für eine strategische Partnerschaft in der Erdsystemwissenschaft.

Mit Lufttemperaturen, die in Teilen Europas mehr als 10 °C über dem Durchschnitt für diese Jahreszeit lagen, ist der Juni 2022 als Rekordmonat in die Geschichte eingegangen. Das folgende Bild zeigt die Landoberflächentemperatur in Prag am 18. Juni 2022 am frühen Nachmittag. Die Aufnahme ist deutlich detailreicher, als es eine vergleichbare Aufnahmen von Sentinel-3 wäre. Und genau diese Detailgenauigkeit wird die neue Copernicus-LSTM-Mission erreichen, indem sie die räumliche Auflösung um den Faktor 400 erhöht. Die heißesten Oberflächen sind deutlich zu erkennen, aber auch die kühlende Wirkung von Parks, Vegetation und Wasser.

Diese Bilder bieten zwar wenig direkten Trost für diejenigen, die unter der Last der Hitze leiden, aber sie helfen durch die Bereitstellung von Geodaten, die Auswirkungen von Hitzewellen in Zukunft durch eine effizientere Planung und Bewirtschaftung der Wasserressourcen abzumildern.

Es ist erwähnenswert, dass es einen Unterschied zwischen der Lufttemperatur und der Landoberflächentemperatur gibt. Die Lufttemperatur, die in unseren täglichen Wettervorhersagen angegeben wird, ist ein Maß dafür, wie heiß die Luft über dem Boden ist. Die Oberflächentemperatur hingegen ist ein Maß dafür, wie heiß sich die Oberfläche tatsächlich anfühlt.

Wissenschaftler überwachen die Landoberflächentemperatur, weil die von der Erdoberfläche aufsteigende Wärme das Wetter und die Klimamuster beeinflusst. Diese Messungen sind auch besonders wichtig für Landwirte, die beurteilen müssen, wie viel Wasser ihre Pflanzen benötigen, und für Stadtplaner, die beispielsweise Strategien zur Eindämmung der Hitze verbessern wollen. Extreme Hitze kann tödlich sein. Stadtbewohner sind aufgrund des städtischen Wärmeinseleffekts, der die Hitze im Vergleich zum Land, wo es mehr Vegetation gibt, erhöht, besonders anfällig. Städtische Wärmeinseln entstehen, wenn die natürliche Bodenbedeckung, z. B. die Vegetation, durch dichte Konzentrationen von Straßenbelägen, Gebäuden und anderen Oberflächen ersetzt wird, die Wärme absorbieren und speichern.

Weitere Informationen:

• ECOSTRESS (NASA / JPL)
• City heat extremes (ESA)