Deutschland im Radar - wissenschaft.de
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Deutschland im Radar

Eine Weltneuheit – die erste hochpräzise Radarkarte eines Staates. Nach jahrelanger Sisyphusarbeit am Computer glückte Forschern der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt jetzt der große Wurf: die erste Radarkarte der Bundesrepublik Deutschland. bild der wissenschaft präsentiert das Werk.

Früher, als Deutschland noch frommer war, wurden die Kinder in arge Gewissensnöte gebracht, indem Mütter oder Tanten mit Blick nach oben sagten: Auch wenn du hinter meinem Rücken etwas Unrechtes tust, so bleibt das nicht verborgen – Gott und die Seinen beobachten dich vom Himmel aus ganz genau. Heute, in unserer diesseitig ausgerichteten Welt, macht eine solche Drohung auf Kinder kaum mehr Eindruck.

Und dennoch ist der alles durchdringende Blick von oben realer denn je: Erdbeobachtungs-Satelliten haben uns ständig im Visier. Sie arbeiten nicht nur im sichtbaren Licht, sondern sie registrieren über Infrarotdetektoren unsere Wärmeabstrahlung. Damit nicht genug: Seit wenigen Jahren wird unser Globus sogar aus dem All per Radar überwacht.

Zwar ist die Totalüberwachung der Menschen aus dem Orbit noch Fiktion. Doch eine Auflösung von 30 Metern bei den amerikanischen Erdbeobachtungs-Satelliten der Landsat-Reihe, von 10 Metern beim französischen Pendant der Spot-Familie oder von weniger als einem Meter bei den modernsten US-Spionage-Satelliten erlauben schon mal einen Blick in Ihren Garten, auf Ihre Garage oder auf das neue Auto, das vor Ihrem Haus steht.

Die Erdbeobachtung aus dem Weltraum erweist sich in vielen Fällen aber auch als segensreich:

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So läßt sich die zerstörerische Bahn von Hurricans durch sie vorhersagen. Mehrere daraufhin initiierte Evakuierungen haben bereits vielen Menschen das Leben gerettet.

Umweltfrevler kommt man früh auf die Schliche – vorausgesetzt, daß die Satellitendaten rasch ausgewertet und an die Überwachungsbehörden weitergeleitet werden.

Veränderungen in der Landschaft können Satelliten präzise und schnell, preisgünstig und global dokumentieren.

Nicht zuletzt beeindrucken Satellitenkarten durch ihr faszinierendes Farben- und Formenspiel.

Ein neuer Höhepunkt in der schon stattlichen Reihe von prächtigen Darstellungen der Erdoberfläche ist die Deutschland-Radarkarte, die im Fernerkundungsdatenzentrum der Deutschen Forschungsanstalt für Luftund Raumfahrt (DLR) mit der Europäischen Raumfahrt-Agentur (ESA) entstanden ist. bild der wissenschaft präsentiert diese Karte erstmals der Öffentlichkeit.

Die Idee dazu war schon geboren, ehe der europäische Erdbeobachtungs-Satellit ERS-1 im Juli 1991 gestartet wurde (ihm folgte im April 1995 der fast baugleiche ERS-2). Beide Satelliten beobachten die Erdoberfläche mit Radarstrahlen, die mit einer Frequenz von 5,3 Milliarden („Giga“) Hertz und einer Wellenlänge von 5,6 Zentimetern abgegeben werden.

Das Radar von ERS-1 und ERS-2 arbeitet im Prinzip wie die Peiniger aller Automobilisten (beim Autoradar liegt die Frequenz bei 13,5 sowie bei 35 Gigahertz). Gegenüber rein optischen Systemen hat es große Vorteile: Radarüberwachung funktioniert auch bei Dunkelheit – und sie verliert durch Nebel oder Wolken nichts an Aussagekraft.

Exakt diese beiden Eigenschaften profilieren Radarsatelliten, deren Überwachungssystem natürlich optimal auf die Bedürfnisse im Erdorbit angepaßt wurde, gegenüber konventionellen Erdbeobachtungs-Trabanten. Das stellten die beiden europäischen Radarsatelliten vor wenigen Wochen wieder einmal eindrucksvoll unter Beweis: Der Vulkanausbruch unter dem isländischen Gletscher Vatnajökull konnte nur anfangs mittels althergebrachter Erdbeobachtungs-Satelliten überwacht werden. Nach wenigen Tagen versperrte eine dicke Wolkendecke die Sicht. ERS-2 sowie der seit einigen Monaten stillgelegte und für die Islandbilder vorübergehend wieder aktivierte ERS-1 waren zur Stelle und dokumentierten selbst bei dichter Bewölkung die Veränderungen an der Erdoberfläche.

Angesichts dieser hohen Flexibilität der Satellitennutzung ist es um so verwunderlicher, wenn die bereits 1990 beschlossene Deutschland-Radarkarte erst jetzt präsentiert werden kann. Die Hintergründe vermitteln einen profunden Eindruck von Zwängen und Problemen, mit denen sich Wissenschaftler bei ihren Arbeiten herumschlagen müssen.

Um das Gebiet der Bundesrepublik Deutschland flächendeckend zu erfassen, mußten rund 150 Bildszenen (Kantenlänge 100 mal 100 Kilometer) bearbeitet werden. Nur unter absolut optimalen Bedingungen wäre es möglich gewesen, diese Datensätze binnen 35 Tagen von ERS-1 produzieren zu lassen und sie auf der Erde weiterzuverarbeiten. Tatsächlich dauerte es aber von 1992 bis 1994, ehe alle 150 Datensätze vorhanden waren.

Mehrere Gründe waren dafür ausschlaggebend:

Die Prozessierungszentren waren häufig nicht in der Lage, die Daten sofort nach der Aufnahme zu bearbeiten. Zudem brauchten die Rechner Anfang des Jahrzehnts für jeden Datensatz einen ganzen Arbeitstag. Ohne die aufwendige Bearbeitung (jede Szene enthält 200 Megabyte Information, also etwa das, was auf 100000 Buchseiten steht) ist mit den Radardaten herzlich wenig anzufangen. „Die Rohdaten haben optisch nichts mit einer Karte gemeinsam“, erklärt Detlev Kosmann, der Leiter des Projekts, „und müssen deshalb in ein Prozessierungssystem, das aus ihnen erst Bilder erzeugt.“

Es dauerte weitere zwei Jahre, ehe die akkuraten irdischen Bezugsdaten für das Gebiet der ehemaligen DDR beschafft waren: Die nach der Wende wohlfeilen topographischen Karten erwiesen sich alle als gefälscht.

Die europäischen Umweltsatelliten waren nicht nur für die Deutschland-Radarkarte unterwegs. Mit dem Synthetischen-Apertur-Radar – ihrem durch technische Kunstgriffe über die physikalischen Grenzen hinaus aufgemöbelten Radar – ist mehr möglich, als lediglich die Oberfläche eines Landes abzubilden. So läßt sich der Wellengang der Meere bis auf einen Meter genau bestimmen. Überdies lassen sich via Radar Schiffsrouten optimieren, Abholzungsflächen dokumentieren, prähistorische Siedlungen porträtieren und geologische Schichtgrenzen illustrieren. Da viele Projekte gleichzeitig vom Radarsatelliten abgearbeitet wer-den müssen, dauerte es über 24 Monate, ehe Deutschland vollständig im Radarbild erfaßt war.

Viertens brauchen ERS-1 und -2 für ihren Radarbetrieb weit mehr Strom, als die Solarzellen liefern. Aus diesem Grund war ERS-1 während seines hundertminütigen Erdumlaufs für allenfalls zwölf Minuten in der Lage, den Radarbetrieb aufrechtzuerhalten. Und um diese zwölf Minuten rangeln sich eine Vielzahl von Forschern.

Nachdem alle 150 Einzelbilder beim Fernerkundungsdatenzentrum im bayerischen Oberpfaffenhofen vorlagen – man schrieb das Jahr 1994 -, ging die Rechnerei von neuem los. Denn die einzelnen Bilder paßten in ihrer Intensität nicht immer zueinander. Da beispielsweise regenfeuchte Landschaften Radarstrahlen schwächer reflektieren als ausgetrocknete Regionen, unterscheiden sich die Mosaike in ihrem Grauwert. Zudem verändern sich die landwirtschaftlichen Nutzflächen. Besonders in der Wachstumsperiode und zur Erntezeit verursacht dies weitere Helligkeitsunterschiede.

Die Anpassung gelang nicht in jedem Fall. So zieht sich auf der Deutschland-Radarkarte ein Streifen vom Oberrheintal nach Hamburg, weil am Tag, als dieser Bildausschnitt entstand, die Radarstrahlen etwas anders als üblich reflektiert wurden. Auch große Teile Ostdeutschlands weichen vom übrigen Kartenbild etwas ab. Der Grund: Alle diese Aufnahmen entstanden in wenigen Wochen nach einer längeren Feuchtperiode, weshalb die Landschaft insgesamt dunkler erscheint.

Ihre einzigartige Plastizität erhält die Satellitenkarte durch die Reflexion der Mikrowellen: Die dem Satelliten zugewandten Berghänge reflektieren Radarstrahlen intensiver als abgewandte Hänge. Doch auch hier steckt der Teufel im Detail: Da ein Radarstrahl Berge um Sekundenbruchteile rascher als die umliegenden Täler erreicht, werden Berge vom Satelliten geometrisch falsch positioniert. Dies auszumerzen war für die Architekten der Deutschland-Radarkarte eine der größten Herausforderungen.

Da zudem die Radarinstrumente wegen der besseren geometrischen Zuordnung nicht senkrecht nach unten abstrahlen und detektieren, sondern um 23 Grad zur Senkrechten geneigt sind, müssen alle Einzelwerte – sogenannte Pixel – in einem aufwendigen Verfahren korrigiert werden.

Würde man das unterlassen, könnte eine Bergspitze von 200 Meter Höhe in der zweidimensionalen Karte bis zu 500 Meter versetzt wiedergegeben werden. Um dieser Irreführung zu entgehen, benutzten die DLR-Wissenschaftler ein digitales Geländemodell, das die Bundeswehr in den achtziger Jahren entwickeln ließ. An diesem Geländemodell wurde die Lagegenauigkeit jedes Punktes überprüft und gegebenenfalls korrigiert.

Farbe ins Spiel bringt aber erst die Überlagerung mit einer anderen Satellitentechnik. Die amerikanische National Oceanic and Atmospheric Administration betreibt Wettersatelliten der NOAA-Reihe. NOAA-11-Aufnahmen, die für die Deutschland-Radarkarte herangezogen werden, erstrecken sich auf die Wellenlänge des sichtbaren Lichts bis hin zum thermischen Infrarot. Die Auflösung beträgt 1 mal 1 Quadratkilometer, ist also geringer als die von ERS-1.

Deshalb wurden diese Daten so modifiziert, daß sie lagegenau mit den ERS-1- Daten übereinstimmten. „Bis das zu unserer Zufriedenheit gelang, vergingen noch einmal drei Monate“, sagt Detlev Kosmann. Weiterhin mußte ein Verfahren zur Farbgestaltung gefunden werden, das die Informationen des Radar- und des Wettersatelliten optisch eindrucksvoll kombiniert und dennoch alle wesentlichen Informationen enthält.

Der Aufwand hat sich gelohnt. Erstmals gibt es von einem Staat der Erde eine plastische Landkarte, die entstanden ist, weil Daten aus zwei verschiedenen Satellitenbeobachtungs-Systemen koordiniert wurden.

Andere Länder dürften eine solche Karte dennoch kaum nachahmen. Die Komplexität der Berechnung so- wie die Kosten für die ERS-Radarszenen (Marktpreis pro Szene: 2000 Mark), die die europäische Raumfahrtagentur ESA der DLR nur deshalb nicht in Rechnung stellte, weil es sich hier um ein Forschungsprojekt handelte, werden dafür sorgen, daß diese Radarkarte für lange Zeit ein internationales Unikat bleiben wird.

Die Deutschland-Radarkarte können Sie bestellen – als ungefaltetes Poster. Die einzigartige Radar-Reliefkarte der Bundesrepublik Deutschland gibt es in einer limitierten Edition auch als Poster im Format 680 mal 485 mm. Für DM 9,80 (plus Versandkostenanteil) können Sie die Karte bei bild der wissenschaft abrufen. Die Bestell-Postkarte finden Sie auf den Seiten 109/110.

Wolfgang Hess

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