nächtliche Lichtemissionen

Die Fernerkundung der nächtlichen Lichtemissionen (Nighttime Lights, NTL) bietet eine einzigartige Perspektive für die Untersuchung einiger menschlicher Verhaltensweisen und auch der zahlenmäßigen Entwicklung der Erdbevölkerung. Nach Schätzungen der Vereinten Nationen wird die Stadtbevölkerung bis zum Jahr 2050 um 2,5 Milliarden Menschen wachsen, was einem Zuwachs von etwa 170.000 Menschen pro Tag entspricht. Dies entspricht etwa dem täglichen Zuwachs einer Stadt der Größe Heidelbergs in den nächsten 41 Jahren. Ein Großteil dieses Wachstums wird in den Entwicklungsländern stattfinden. Während die Erdbevölkerung weiter wächst, bieten Fernerkundungsdaten einen Blick aus dem Weltraum auf das menschliche Verhalten, sei es die Veränderung der Landschaft durch Abholzung und Verstädterung oder die Veränderung der Luftqualität durch die Zunahme von Schadstoffen.

Die meisten Informationen über die globale NTL stammen aus Beobachtungen des Operational Linescan System (OLS) des Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) und des Day/Night Band (DNB) der Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) an Bord des Suomi National Polar-Orbiting Partnership Satelliten. Diese Missionen wurden jedoch nicht speziell für die NTL-Kartierung konzipiert und entsprechen nicht allen Anforderungen der wichtigsten Anwendungsbereiche.

Immerhin liefern die Instrumente der Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) an Bord der gemeinsamen NASA/NOAA-Mission Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) und des NOAA-20-Satelliten täglich globale Messungen des nächtlichen sichtbaren und nahen Infrarotlichts (NIR), die sich für wissenschaftliche Untersuchungen und Anwendungen des Erdsystems eignen. VIIRS Day/Night Band (DNB)-Daten werden für Bevölkerungsschätzungen, die Bewertung der Elektrifizierung abgelegener Gebiete, die Überwachung von Katastrophen und Konflikten und das Verständnis der biologischen Auswirkungen der zunehmenden Lichtverschmutzung verwendet.

Erfassen von nächtlichen Lichtern

Anders als bei der Fernerkundung am Tag gibt es in der Nacht mehrere Lichtquellen. Zu diesen Quellen gehören das Mondlicht, das direkt von einer Lichtquelle (z. B. von Gebäuden und Verkehrsmitteln) abgestrahlte Licht und das vom Boden reflektierte Licht, auch bekannt als Oberflächenalbedo. Schnee, der unter Beleuchtungsbedingungen eine hohe Oberflächenalbedo aufweist, kann das an ein satellitengestütztes Instrument zurückgesendete Signal auf 512 Meilen erhöhen. Andererseits reflektieren natürliche Landoberflächen mit einer geringen Oberflächenalbedo, wie z. B. Gewässer und Walddächer, weit weniger Licht.

Die NTL-Daten haben eine lange Zeitreihe. Das US-Verteidigungsministerium startete das Defense Meteorological Satellite Program (DMSP), eine Reihe von sonnensynchronen Satelliten, um die nächtlichen Lichtemissionen mit dem OLS-Sensor (Operational Linescan System) von den frühen 1970er Jahren bis 2011 zu erfassen. Der digitale Datenstrom begann jedoch erst 1992.

Zwar lieferte das DMSP OLS langfristige Daten zur Kartierung der städtischen Ausdehnung, doch haben die OLS-Daten mehrere Nachteile:

• Die räumliche Auflösung von 2,7 km ist grob.
• Die radiometrische Auflösung beträgt 6 Bit, was zu gesättigten Pixelwerten in städtischen Zentren und einer schwachen Erfassung kleiner städtischer Siedlungen führt.
• Da es keine On-Board-Kalibrierung gibt, sind die radiometrischen Größen weder räumlich noch zeitlich konsistent. Diese Inkonsistenz kann bei der Analyse von Zeitreihen zu Problemen führen.

2011 startete die NASA im Rahmen einer Partnerschaft mit der NOAA und dem Verteidigungsministerium den Satelliten Suomi NPP und 2018 den Satelliten NOAA-20. Beide Satelliten tragen das VIIRS-Instrument, das auch NTL-Emissionen erfasst und die langfristige NTL-Datenaufzeichnung fortsetzt. Das VIIRS DNB (Day/Night Band) verbessert das ältere DMSP OLS durch eine höhere räumliche und radiometrische Auflösung: VIIRS hat eine räumliche Auflösung von 375 und 750 Metern (je nach Band), eine tägliche zeitliche Auflösung, eine vollständigere globale Abdeckung und eine höhere Datenqualität.

VIIRS DNB arbeitet im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich des Spektrums: 400-900 Nanometer (nm). Dieser Spektralbereich ist ideal für die Erforschung von NTL, da viele vom Menschen geschaffene Lichtquellen in diesem Bereich spektral reagieren. Metallhalogenidlampen, die in der Architekturbeleuchtung verwendet werden, zeigen beispielsweise eine erhöhte Reaktion bei 550 und 600 nm, und LED-Lampen, die in der Straßenbeleuchtung verwendet werden, weisen ein Spektralsignal in diesem Bereich auf.

Anwendungen von Nachtlicht-Daten

NTL trägt zu einer Vielzahl von geowissenschaftlichen Studien und Anwendungen bei. Durch den "Abzug" von Mondlicht und anderen Fremdquellen können Forscher systematisch künstliche Lichter wie Straßen- und Gebäudebeleuchtungen, Fischerboote, Gasfackeln, Brände, Polarlichter und viele menschliche Aktivitäten überwachen. Darüber hinaus helfen die Daten bei der Bewertung der Fortschritte bei der Erreichung zahlreicher Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen, insbesondere bei der Erfüllung der Bedürfnisse der von Konflikten betroffenen Bevölkerung (SDG-1), bei der Quantifizierung der Wirksamkeit lokaler Elektrifizierungsprojekte in Entwicklungsländern (SDG-7), beim Aufbau einer katastrophenresistenten Infrastruktur, bei der Förderung einer integrativen und nachhaltigen Industrialisierung und bei der Förderung von Innovationen (SDG-9) sowie bei der Sicherstellung, dass Städte und menschliche Siedlungen integrativ, sicher, widerstandsfähig und nachhaltig sind (SDG-11).

Auswirkungen von Katastrophen und Wiederherstellung der Infrastruktur

Jedes Jahr sind Millionen von Menschen von Katastrophen betroffen. Oft folgen auf diese Ereignisse Stromausfälle und Blackouts. Die hohe räumliche Auflösung und die tägliche zeitliche Auflösung der VIIRS-DNB-Bilder liefern Informationen darüber, wo sich die Stromausfälle befinden und wie sich die Wiederherstellung des Stromnetzes entwickelt. Darüber hinaus ist die Erfassung solcher Daten per Fernerkundung in Gebieten, die von Schäden, Trümmern oder Problemen mit der Zugänglichkeit betroffen sind, kein Hindernis.

Der Hurrikan Maria fegte im September 2017 über die Karibik und verwüstete viele Inseln. In Puerto Rico verursachte der Hurrikan Stromausfälle auf der gesamten Insel. Bei dieser Katastrophe wurden zum ersten Mal nächtliche Lichtdaten routinemäßig von Notfallmanagementbehörden verwendet, um bei der Abschwächung der Katastrophe und den Wiederaufbauanstrengungen zu helfen. Die nahezu in Echtzeit erfassten Daten informierten Bundes- und Kommunalbehörden, Bau- und Versorgungsteams sowie Hilfsorganisationen, so dass sie das Ausmaß der Ausfälle visualisieren und Prioritäten für die Wiederherstellung von Gebieten setzen konnten. In Puerto Rico wurde die volle Stromversorgung erst 18 Monate nach dem Ereignis wiederhergestellt. Erkunden Sie interaktiv die Situation über diesen Link und vergleichen Sie VIIRS DNB-Bilder mit Hilfe des Portals NASA Worldview.

Houston, TX, wurde im Februar 2021 von einem schweren Wintersturm heimgesucht, der Tiefsttemperaturrekorde brach und 1,4 Millionen Kunden den Strom kappte. Die Erdgasverknappung wirkte sich bereits auf die Nachfrage aus, die sich im Laufe der Zeit noch verstärkte. Kontrollierte Abschaltungen und umgestürzte Stromleitungen ließen Teile des Bundesstaates im Dunkeln sitzen. Die Black Marble-Daten der NASA zeigen das Ausmaß dieses Stromausfalls. Das Bild unten ist ein Black Marble High Definition (HD)-Produkt. Black Marble HD wird durch die synergetische Nutzung des täglichen NASA Black Marble-Standardprodukts mit Daten von anderen Erdbeobachtungssatelliten (z. B. Landsat 8, Sentinel-2) und zusätzlichen Datenquellen (z. B. Straßen, Gebäude und andere GIS-Ebenen) erzeugt.

Großflächige Ausfälle sind in den Industrieländern selten, doch dieser Stromausfall erstreckte sich über den gesamten Bundesstaat Texas. Wissenschaftler stellten fest, dass Texas der einzige Staat war, der sein Stromnetz vom Rest des Landes isoliert hatte.

Das linke VIIRS-Bild wurde etwa um 1h CST am 7.2.2021 aufgenommen, also vor dem starken Kälteeinbruch. Die Daten der Nachtbeleuchtung wurden Landsat-Bildern überlagert, so dass die Stadtstruktur noch erkennbar ist. Das rechte VIIRS-Bild der nächtlichen Beleuchtung (ca. 1h CST) am 16.2.2021 zeigt Stromausfälle in Houston, die durch extreme Kälte in Verbindung mit mehreren Schnee- und Eisstürmen im Februar 2021 verursacht wurden. Quelle: NASA Earth Observatory

Weitere Beispiele für Einsätze bei Katastrophen:

• A Glowing Plume Over Mount Etna
• VIIRS Day/Night Band and Thermal Anomalies from the Kilauea Eruption
• Hurricane Michael VIIRS Nighttime Imagery
• Suomi NPP Captures Images of Nighttime Lights Before and After Hurricane Michael
• Hurricane Florence Resources - VIIRS Black Marble Night-time Imagery
• Power Outages in Houston, TX
• Extreme Winter Weather Causes U.S. Blackouts

Biologische Auswirkungen

Mit dem Bevölkerungswachstum und der zunehmenden Verstädterung dringen Städte und Menschen in die natürliche Umwelt ein. Wildtiere in oder in der Nähe dieser städtischen Zentren sind mit neuen Stressfaktoren konfrontiert, die sich auf das Verhalten und die Ökologie auswirken können - einer davon ist künstliches NTL. Bei Wildtieren beeinflusst das Licht die Orientierung, Aktivität und Fortpflanzung. So folgen beispielsweise Schildkrötenjunge der hellsten Lichtquelle, die in der Natur das von der Meeresoberfläche reflektierte Mondlicht ist; künstliches Licht kann zu Desorientierung führen und sie daran hindern, sich in Richtung Meer zu bewegen, was häufig zum Tod führt. Eine Studie von Forschern der Northeastern Illinois University, die nächtliche Aufnahmen der Internationalen Raumstation nutzten, ergab außerdem, dass eine Zunahme des künstlichen Lichts zu Verhaltensänderungen bei nachtaktiven Tieren führt, so dass sie weniger aktiv werden und weniger umherstreifen.

Weitere gut dokumentierte Auswirkungen sind die zeitliche Aufteilung von Nischen (d. h., wenn konkurrierende Arten die Umwelt zu unterschiedlichen Zeiten nutzen, um nebeneinander zu existieren), eine veränderte Reparatur und Wiederherstellung physiologischer Funktionen (z. B. kann NTL die Freisetzung von Melatonin bei bestimmten Barsch- und Plötzenarten beeinflussen), die Beeinträchtigung der Erkennung von Fressfeinden und Umweltressourcen, der Signalgebung und der Tarnung, Veränderungen des Fortpflanzungsverhaltens und Veränderungen der zirkadianen Rhythmen.

Während sich die meisten Forschungsarbeiten zu den Auswirkungen von NTL auf ökologische Systeme auf terrestrische Umgebungen konzentriert haben, gibt es mehrere Studien zu aquatischen Umgebungen. Die meisten dieser Studien konzentrierten sich auf die Küsten- und Hochseefischerei. Die verbesserte räumliche Auflösung von Nachtaufnahmen ermöglicht mehr Studien in aquatischer Umgebung. In einer in WIREs Water veröffentlichten Studie untersuchten Forscher die Wissenslücken bei der Verwendung von bodengestützten und Fernerkundungsdaten zur Bewertung der Auswirkungen künstlicher Beleuchtung auf aquatische und Uferökosysteme.

Ergänzende NASA-Fallstudien:

• Using NASA Resources to Better Inform Wildlife Conservation in the Anthropocene: Spatially Predicting Impacts of Anthropogenic Nightlight and Noise on Wildlife Habitat Integrity Across the Contiguous
• Wyoming Cross-cutting
• Something Fishy in the Atlantic Night
• Ships Passing in the Night
• Noise and Light Pollution From Humans Alter Bird Reproduction
• Night Lights can Disrupt Wildlife
• User Profile: Dr. Steven D. Miller

Einsatz von Nachtlicht-Daten in Sozial-, Wirtschafts- und Kulturwissenschaften

Night Time Light-Daten bieten Einblicke in die sozialen, wirtschaftlichen und kulturellen Muster und Verhaltensweisen in städtischen Umgebungen, von der Elektrifizierung über konfliktbedingte Migration bis hin zu Feiertagen und mehr. In einer kürzlich durchgeführten Untersuchung nutzte ein Forschungsteam Black Marble-Produkte, um verschiedene Arten von Veränderungen in sozialen, wirtschaftlichen und kulturellen Verhaltensweisen zu veranschaulichen, die in NTL-Mustern zwischen 2012 und 2020 dargestellt werden.

Veränderungen der NTL-Muster in globalen Beispielstädten zwischen 2012 und 2020 Diese Daten wurden unter Verwendung des operationellen Black Marble Monats-Composite-Produkts (VNP46A3) mit den neuesten verfügbaren Daten erstellt. Quelle: NASA EarthDATA

Die Abbildung oben zeigt die Veränderungen in den NTL-Mustern in globalen Beispielstädten im Laufe der Zeit unter Verwendung des monatlichen zusammengesetzten Black Marble-Produkts (VNP46A3). In Aleppo, Syrien, zeigen sich die Auswirkungen des Konflikts und der Vertreibung der Bevölkerung, die Anfang 2013 begannen, in einem dramatischen Rückgang der nächtlichen Beleuchtung (obere Grafik). Im Flüchtlingslager El Zaatari in Jordanien machte der Zustrom von Flüchtlingen aus Syrien das Lager zu einem der größten in Jordanien, was zu einem entsprechenden Anstieg der nächtlichen Beleuchtung führte (zweites Diagramm).

Mit der Expansion Dubais in den Vereinigten Arabischen Emiraten zu einem globalen Wirtschaftszentrum des Nahen Ostens stieg auch die Zahl der nächtlichen Lichter aufgrund des wachsenden Straßennetzes und der Industrieanlagen (drittes Diagramm). Während der stetige Anstieg der nächtlichen Lichter in Dubai im Laufe des Jahrzehnts auf eine wachsende Wirtschaft des Landes hindeutet, können wir auch Auswirkungen auf die wirtschaftlichen Aktivitäten aufgrund von Sperrungen und Geschäftsschließungen während der COVID-19-Pandemie erkennen, wobei der Einbruch des Musters im Jahr 2020 beginnt.

Ein plötzlicher Einbruch des nächtlichen Lichtmusters in San Juan, Puerto Rico, im Jahr 2017 spiegelt die verheerenden Auswirkungen des Hurrikans Maria (September 2017) wider, der zu ausgedehnten Stromausfällen auf der gesamten Insel führte (vierte Grafik). Ein stetiger Rückgang des Nachtlichts in der Hauptstadt Caracas, Venezuela, ist ein Zeichen für die wirtschaftliche Rezession des Landes, die 2014 begann und zu einem anhaltenden Rückgang des Bruttoinlandsprodukts (BIP) führte (fünfte Grafik). Ein saisonales Muster, das gemeinhin den saisonalen Vegetationszyklen zugeschrieben wird, zeigt sich schließlich im nächtlichen Lichtmuster in Juliaca, Peru (unteres Diagramm).

Weitere sozioökonomische und kulturelle Anwendungsbeispiele:

• Experimenting with Tucson’s Night Lights
• Nighttime Images Show Changes in Human Activity
• Night Lights Change in the Middle East
• User Profile: Dr. Karen Seto
• User Profile: Dr. Adam Storeygard

Weitere Informationen:

• Nighttime lights (NASA)
• Night Lights from NASA's Black Marble (NASA WorldView)
• Out of the Blue and Into the Black (NASA Earth Observatory)
• Die Erde bei Nacht (Google Earth)
• Bathed in a Sea of Artificial Light (NASA Earth Observatory)
• ESA-Astronaut*innen helfen aus dem All bei der Kartierung der Lichtverschmutzung in Europa (ESA)
• Lockdown is also changing our Planet at night (Euro Data Cube)
• Earth at Night - Our Planet in Complete Darknesse (NASA)
• Wir zählen Lichter, weil die Nacht zählt (GFZ Potsdam)