Ozeansatelliten: Schutz der blauen Heimat

Streng genommen handelt es sich bei Ozeansatelliten auch um Erdbeobachtungssatelliten. Allerdings haben Meer und Land unterschiedliche Formen und für die Satellitenfernerkundung werden unterschiedliche Sensoren benötigt.

Ozean-1 Ozean-Farbsatellit

Wenn Sie sich die Meeresbilder ansehen, die von Satelliten aufgenommen wurden, werden Sie feststellen, dass das Meer die meiste Zeit über recht eintönig ist und nur einige azurblaue Flecken aufweist. Eine detaillierte Analyse zeigt jedoch, dass die blaue Farbe in verschiedenen Meeresgebieten unterschiedlich ist und sich hinter den unterschiedlichen Blautönen unterschiedliche Arten von Informationen verbergen. Generell wird die Farbe des Meeres durch drei Elemente bestimmt: Chlorophyll im Plankton, anorganische Schwebstoffe und organische gelbe Stoffe. Diese drei Faktoren bestimmen die optischen Eigenschaften des Meerwassers, einschließlich der Absorptions- und Streuungseigenschaften. Das Meerwasser reflektiert das Sonnenlicht, was für Urlauber ein schöner Anblick ist, für Meeresforscher jedoch ein Problem darstellt. Um den Einfluss reflektierten Lichts zu minimieren, sollten Beobachtungen der Wasserfarbe direkt über der Meeresoberfläche erfolgen.

Traditionell warfen Meeresforscher eine mit 24 Farben markierte Scheibe ins Meer und zeichneten die Farbe auf, die mit dem örtlichen Meerwasser übereinstimmte. Diese Methode klingt gut, aber es ist eine unmögliche Aufgabe, die globale Meeresfarbe zu messen. Die Verwendung von Satelliten zur Messung der Wasserfarbe ist derzeit die effizienteste Methode.

Der erste von China gestartete Ozeansatellit, Haiyang Nr. 1, ist ein Aquarellsatellit. Dazu gehören die vier Satelliten A, B, C und D, die nacheinander ins All geschossen wurden, um im Staffelbetrieb zu arbeiten. Ihre Hauptnutzlast ist ein Wasserfarben-Fernsensor, der über ein schmales Betriebsfrequenzband verfügt, das sich hauptsächlich auf den Bereich vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infrarot konzentriert. Die räumliche Auflösung ist sehr gering und liegt im Bereich von Hunderten von Metern. Wie allgemeine Fernerkundungssatelliten operiert der Satellit Ocean No. 1 in einer sonnensynchronen Umlaufbahn. Allerdings wird ein anderer Zeitpunkt gewählt, nämlich etwa 12 Uhr mittags, um eine direkte Beobachtung des Ozeans von oben zu gewährleisten. Durch die Erkennung der Meeresfarbe können Menschen die Produktivität des Ozeans verstehen. Einfach ausgedrückt geht es darum, wie viele Fische, Garnelen und Meeresgemüse ein Ozean hervorbringen kann und wie viel der Mensch fangen oder anbauen kann, ohne das ökologische Gleichgewicht zu zerstören. Dies ist für diejenigen unter uns, die gutes Essen lieben, von entscheidender Bedeutung.

3D-Simulation des Satelliten Ocean No.1

Dynamischer Umweltsatellit Ocean 2

Das Meer hat weite blaue Wellen und erscheint flach, wenn kein Wind weht oder Wellengang herrscht. Dies entspricht jedoch nicht der Wahrheit. Aufgrund von Faktoren wie Wind, Temperatur und Unterwassertopographie schwankt die Meeresoberfläche tatsächlich ständig. Das Meerwasser ist in ständiger Bewegung. Es gibt Meereszirkulationen im Ausmaß von Tausenden von Kilometern, Wirbel im Ausmaß von Hunderten von Kilometern sowie Meeresbrisen, Wellen und Strömungen im Ausmaß von Zehntausenden von Kilometern oder sogar noch kleiner. All dies wird als ozeandynamische Phänomene klassifiziert. Die systematische Beherrschung der Gesetze dieser dynamischen Prozesse im Ozean kann in den Bereichen der Prävention und Eindämmung von Meereskatastrophen, der Erschließung mariner Ressourcen, der wissenschaftlichen Meeresforschung und dem Aufbau der Landesverteidigung von Nutzen sein. Um dynamische Umweltphänomene im Ozean zu erkennen, ist es notwendig, Seebrisen, Wellen, den Meeresspiegel und die Meeresoberflächentemperatur zu beobachten, was eine Voraussetzung für ein effektives Verständnis des Ozeans ist. Daher müssen die Menschen einen anderen Typ von Ozeansatelliten entwickeln – Satelliten für die dynamische Meeresumgebung.

Satelliten zur Messung dynamischer Meeresumweltbedingungen sind im Allgemeinen mit Radarhöhenmessern, Mikrowellen-Scatterometern und Mikrowellenradiometern ausgestattet, die die Höhe messen, Wellen beobachten, den Wind abhören und die Temperatur messen können. China hat nicht nur seinen eigenen Satelliten zur Messung der dynamischen Meeresumwelt entwickelt, sondern auch mit Frankreich bei der Entwicklung des chinesisch-französischen Ozeansatelliten zusammengearbeitet.

Chinas Satellit zur Erforschung dynamischer Meeresumwelt ist die Ocean No. 2-Serie und bisher wurden vier davon gestartet. Der erste Satellit wurde außer Dienst gestellt, derzeit operieren die Satelliten Ocean Nr. 2B, C und D vernetzt im Orbit. Ocean No. 2 wird hauptsächlich verwendet, um Windfelder, Temperaturfelder, Meeresoberflächenhöhen, Wellenfelder, Strömungsfelder usw. an der Meeresoberfläche zu erkennen, um globale Daten zu Meereswindvektorfeldern und Oberflächenwindspannungen sowie Daten zur globalen Meereszirkulation, zum Ozeangeoid, zum Schwerefeld und zu polaren Eisschilden zu erhalten. Darunter spielt die Messung des ozeanischen Schwerefelds eine wichtige Rolle bei der Erfassung der Meeresbodentopographie und ist auch eines der Hauptprojekte der aktuellen National Natural Science Foundation. Unter dem Meer gibt es auch komplexes Gelände, darunter Berge, Ebenen und Täler. Die Erkennung von Unterwassergelände hat nicht nur einen wichtigen militärischen Wert, sondern ist auch ein wichtiger Referenzwert für die zukünftige Entwicklung der Meeresressourcen.

Der chinesisch-französische Ozeansatellit (CFOSAT) wurde 2018 gestartet. Er verwendet ein von China entwickeltes Mikrowellen-Scatterometer und ein von Frankreich entwickeltes Ozeanspektrometer. Damit gelang erstmals eine großflächige, hochpräzise und synchrone Beobachtung der Meeresoberflächenwellen auf globaler Ebene. Besonders hervorzuheben ist, dass das Mikrowellenradiometer auf diesem Satelliten derzeit das satellitengestützte Mikrowellen-Scatterometer mit der höchsten räumlichen Auflösung, der größten Beobachtungswinkelabdeckung und der höchsten Windfeldmessgenauigkeit ist. Die relevanten Daten werden in das operative Vorhersagesystem der französischen Wetteragentur eingegeben. Dies ist das erste Mal, dass die Nutzlastdaten Chinas aus dem Ozean in internationale operative Anwendungen einfließen.

Demonstrationsbild des chinesisch-französischen Ozeansatelliten im Orbit (Bildnachweis: Französisches Nationales Zentrum für Weltraumstudien)

Überwachungssatellit Ocean-3

Natürlich werden auch in der Meeresforschung hochauflösende Bilder benötigt. Was wir derzeit brauchen, ist nicht unbedingt eine hochauflösende Kamera, sondern ein Radar. Auf der Meeresoberfläche gibt es einen Vorteil. Die Signalreflexionseigenschaften des gesamten Meerwassers in jedem Meeresgebiet sind gleich. Befindet sich darin ein Fremdkörper, etwa ein Schiff, eine Müllhalde oder auch eine Gruppe von Meereslebewesen, wird dieser im Radarecho deutlich dargestellt. Darüber hinaus ist das Kielwasser des Schiffes auf dem Radarbild deutlich zu erkennen. Dies ist sehr nützlich für die Verfolgung von Schiffsbewegungen. sogar die Bewegung von Unterwasser-U-Booten hinterlässt eine Spur von Wellen auf der Meeresoberfläche.

Aus diesem Grund entwickelte man einen dritten Typ von Ozeansatelliten: den Ozeanüberwachungs- und Beobachtungssatelliten. Ihre Hauptnutzlast ist ein Synthetic Aperture Radar mit einstellbarer Auflösung.

Chinas Satellitenserie zur Meeresüberwachung und -beobachtung ist in zwei Entwicklungsphasen unterteilt.

Die erste Phase bestand darin, mit dem Satelliten Gaofen-3 (GF-3) die technischen Grundlagen zu schaffen und die Multipolarisations- und Multimode-Synthetic-Aperture-Radar-Technologie (SAR) zu beherrschen. Die höchste Auflösung des Satelliten erreichte 1 Meter und die Beobachtungsbreite betrug zu diesem Zeitpunkt nur 10 Kilometer; Die niedrigste Auflösung konnte 500 Meter erreichen und die Beobachtungsbreite betrug zu diesem Zeitpunkt 650 Kilometer. Solche Eigenschaften eignen sich sehr gut für die Ozeanbeobachtung. Normalerweise kann damit ein großes Meeresgebiet grob überwacht werden. Unter besonderen Umständen kann es die Radarsendeleistung konzentrieren, um einen kleinen Bereich zu beobachten.

In der zweiten Phase werden zwei C-Band-Synthetic-Aperture-Radar-Satelliten gestartet, um ein Drei-Sterne-Netzwerk zu bilden. Der dritte Satellit, der im April 2022 gestartet wird, wird eine maximale Auflösung von 1 Meter haben. Die Satelliten der „Ocean No. 3“-Serie basieren auf der Technologie von Gaofen-3 und können durch die Verteilung mehrerer Satelliten in derselben Umlaufbahn Inseln, Küstengebiete und Meeresziele rund um die Uhr und bei jedem Wetter überwachen. Außerdem können sie Informationen über Meereswellenfelder, Windfelder, Sturmflut-Überschwemmungsgebiete, interne Wellen, Meereis, Ölverschmutzungen usw. erhalten und so den vielfältigen Anforderungen der Überwachung von Meereszielen und Landressourcen gerecht werden.

Tatsächlich können auch andere Arten von Fernerkundungssatelliten, darunter Satelliten zur Bildgebung im sichtbaren Licht und Radarbildgebungssatelliten, eine gewisse Rolle bei der Fernerkundung der Ozeane spielen, sie können jedoch nur eine unterstützende Rolle spielen. (Autor: Chi Huo)