Dr. Ludwig Grunwaldt, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, ehemaliger Mitarbeiter Sektion 1.2: Globales Geomonitoring und Schwerefeld

Satelliten werden in den Geowissenschaften häufig mit multispektralen Abbildungen der Erdoberfläche zu verschiedensten Zwecken in Verbindung gebracht. Über dieses wichtige Anwendungsgebiet hinaus dienen speziell ausgerichtete Missionen aber auch der Erforschung von Schwere- und Magnetfeld (einschließlich deren zeitlicher Variation), der Geodynamik, Meeresspiegelvariationen sowie Atmosphärensondierung und Weltraumwetter bis hin zur Verifikation relativistischer Effekte.

Der Vortrag gibt anhand ausgewählter Satellitenmissionen einen Überblick über deren Aufbau sowie die wichtigsten Einsatzgebiete und stellt herausragende Ergebnisse kurz vor.

Dr. D. Rybski, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK)

Administrative Stadtgrenzen stimmen oft nicht mit den tatsächlichen Ausdehnungen bebauter Gebiete überein. Landnutzungsdaten, die mittels Fernerkundung gewonnen werden, stellen eine interessante Alternative dar, Städte als räumliche Cluster urbanen Raumes zu definieren. Sie lassen sich nutzen, um den Hitzeinseleffekt systematisch und großflächig zu quantifizieren. Für Europa wurden die größten 5000 Agglomerationen und deren Hitzeinseleffekt in Beziehung zu Stadtgröße, -fraktalität und -anisometrie gesetzt. Den Ergebnissen zufolge weisen große, kompakte und rundliche Städte erhöhte Hitzinselintensitäten auf. In einer zweiten Analyse wurden Schadensfunktionen berechnet, die genutzt werden können, um den zu erwartenden Schaden aufgrund einer Küstenflut abzuschätzen. Die Ergebnisse basieren auf verschiedenen Fernerkundungsdaten. Der Vortrag schließt mit Perspektiven in der Raumplanung ab.

Dr. Daniel Spengler, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Sektion 1.4: Fernerkundung

Der Vortrag wird die Grundlagen der optischen -, thermalen – und Radarfernerkundung vorstellen. Es werden die Messprinzipien der einzelnen Fernerkundungsmethoden skalenübergreifend von punktuellen bis hin zu flächenhaften Messungen vorgestellt. Neben einführenden Informationen über die genutzten Sensoren (am Boden, in der Luft und im All) werden Beispiele zum webbasierten Datenzugang, sowie thematische Anwendungsbeispiele vorgestellt. Diese umfassen z.B. Zeitreihenanalysen im Bereich der Landwirtschaft, Stadtentwicklung am Beispiel von Megacities, Analyse von Bergbauregionen, Abholzung des Regenwaldes und das Aralseesyndrom.

Dr. Benjamin Männel, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Sektion 1.1: Geodätische Weltraumverfahren

In den vergangenen Jahren haben Navigationssatellitensysteme wie GPS oder Galileo Positionierung und Navigation revolutioniert. An ausgewählten Beispiel werden wir betrachten, dass die hohe Genauigkeit der Satellitensysteme die Beobachtung verschiedenster Prozesse im System Erde erlaubt. Über die Bestimmung von Einzelpositionen ist es beispielsweise möglich, kleine Veränderungsraten langsamer Prozesse wie Plattentektonik oder postglazialer Landhebung zuverlässig zu bestimmen. Basierend auf genauer Echtzeitpositionierung können GPS&co. auch schnelle ablaufende Veränderungen wie Erdbeben oder Rutschungen aufzeichnen und auch als Frühwarnsysteme eingesetzt werden. Aber nicht nur die Erdoberfläche auch die Atmosphäre lässt sich aus den Signalen von GPS und Galileo beobachten, entsprechende Informationen über den Wasserdampfgehalt verbessern z.B. Wettervorhersagen.

Jörg Asmus, Deutscher Wetterdienst, Offenbach

Der Vortrag zeigt den Weg vom Beginn des analogen Wettersatellitenempfangs im DWD und MD der DDR, den ersten Sondierungsdaten für die numerische Wettervorhersage, über den Empfang digitaler Wettersatellitensignale und somit die Möglichkeit der Darstellung von projizierten Satellitenbildern mit Workstation basierenden Arbeitsplatzprogrammen für die Wetterüberwachung, den erste Satellitenfilmen für den ARD-Wetterbericht bis zu den umfangreichen Satellitendaten in NinJo und den modernen Visualisierungsmöglichkeiten für Medien mit TriVis sowie in WetterWarnApp des DWD. Mittlerweile liefern Wettersatelliten nicht nur Bilder, sondern mit zahlreichen Instrumenten auch Daten über den Zustand der Atmosphäre, wie z.B. Temperatur, Feuchte, Windvektoren u.a. Diese Daten ergänzen das konventionelle Messnetz und werden für die numerische Wettervorhersage benötigt. Nur so lässt sich der Zustand der Atmosphäre möglichst exakt bestimmen und sind Wettervorhersagen über einen Zeitraum bis zu zwei Wochen möglich. Aber auch in der Klimatologie sind Satellitendaten heute unverzichtbar, um Aussagen über das Klima der Erde zu machen.

Mareike Treskow / Max Lemke, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, GFZ-Schülerlabor

Die Navigation mit Hilfe von Satelliten hat schon längst Einzug in unseren Alltag gehalten: Beim Autofahren oder Wandern, bei der Verkehrsführung zu Lande, zu Wasser oder in der Luft. Neben Kompass und analoger Karte stellen GPS-Empfänger eine immer größer werdende Rolle als Orientierungshilfe dar. Doch was steckt hinter dem GPS, wie funktioniert Geocaching und wofür können die Navigationssatelliten in der Forschung eingesetzt werden?

Der Workshop ist für den Unterricht der Sek. I konzipiert.

Dr. Bernd Stiller & Jannis von Buttlar, Wettermuseum - Museum für Meteorologie und Aerologie

Wolken auch nachts erkennen zu können ist wichtig für die Wettervorhersage. Die ersten Wettersatelliten (beginnend mit TIROS 1 am 1. April 1960) arbeiteten noch allein mit Fernsehkameras, die nur bei Tageslicht die Wolkenformationen erkannten und Wolkenbilder zur Erde schickten. Bereits vier Jahre später gab es aber auch nachts regelmäßig Wolkenaufnahmen. Möglich wurde das durch Infrarotradiometer, die die Wärmestrahlung der Erde und der Wolken messen konnten. Was ist ein Infrarotradiometer und wie kann man damit Wolken erkennen, kann man alle Wolkentypen auf einem Infrarotbild sehen? Im Workshop des Wettermuseums Lindenberg werden diese und andere Fragen beantwortet. Außerdem wird mit Infrarotkameras experimentiert. Erkennt man Eis auch im Dunkeln? Lassen alle Stoffe ihre Oberflächentemperatur erkennen? Kann man durch eine schwarze Tüte hindurchschauen? Natürlich darf auch etwas Theorie nicht fehlen: weshalb sind hohe Wolken kalt? Wie ist das mit der Durchlässigkeit der Atmosphäre für IR-Strahlen bestimmter Wellenlängen?

Der Workshop richtet sich hauptsächlich an Lehrkräfte der Sek. I u. II, ggf. kann der Inhalt auch für den NaWi-Unterricht Klasse 5-6 nützlich sein.

Heinz-Peter Brunke, Deutsches GeoForschungsZentrum, Sektion 2.3: Geomagnetismus

Der Fokus dieses Workshops liegt auf verschiedenen Experimenten rund um das Erdmagnetfeld, welche mit relativ geringem Aufwand im Schulunterricht eingesetzt werden können. Wir experimentieren zur Induktion, Deklination u. Inklination sowie zur Ermittlung der Horizontalintensität des Erdmagnetfelds. Zusätzlich zeigen wir, wie man Smartphones für Magnetfeldmessungen sinnvoll einsetzen kann. Im Anschluss des Workshops werden Experimentieranleitungen für den Unterricht zur Verfügung gestellt.

Der Workshop ist für Sek I (9./10. Kl.) konzipiert.

Simone Zepp^* & Tobias Schüttler⁺, Ludwig-Maximilians-Universität München, Didaktik der Physik^*+ und DLR_School_Lab Oberpfaffenhofen⁺

Der Workshop versetzt die Kursteilnehmer in die Lage, sich aktuelle Satellitendaten der NASA bzw. ESA zu beschaffen und auszuwerten. Zudem wird ein Verfahren vorgestellt, wie mit einfacher, preisgünstiger Technik selbst Fernerkundungsdaten zur Vegetationsanalyse gemessen werden können. Die auf diese Weise erhobenen Daten werden mit einer von der ESA entwickelten, kostenlosen Software ausgewertet und mit echten Satellitendaten verglichen.

Für den Workshop werden eigene Laptops mit Administratorrechten zur Installation der Software LEOWorks (http://leoworks.terrasigna.com/leoworks) benötigt.

Zielgruppe: Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufen 9-13, Fächer Geographie und Physik

Dr. U. Sander & Dr. Boris Reusch, Lise-Meitner-Schule Berlin

Wie GPS helfen kann, unser Klima zu verstehen. Wir alle nutzen das Signal von Navigationssatelliten tagtäglich, um uns zu orientieren, Routen zu planen und schneller und besser anzukommen. Tatsächlich kann dieses Signal aber auch Aufschluss über die Zusammensetzung der Atmosphäre geben und dazu beitragen, Wettervorhersagen zu verbessern und den Klimawandel zu untersuchen. Im Rahmen des EU-Projekts "Track Your Atmosphere" haben wir ein Unterrichtsmodul entwickelt: Wir präsentieren einen flexiblen und handlungsorientierten Zugang zu Schwingungen und Wellen (geeignet für Sek I und II), um ein grundlegendes Verständnis der Signalausbreitung in der Atmosphäre zu erhalten. Für die Sek II bieten wir Material zur Berechnung der Satellitenbahnen und zur Rolle von Wasserdampf. Didaktisches Material zu drei Erklärvideos (aus einem Vorgängerprojekt, auf Englisch) werden wir ebenfalls vorstellen.

Zielgruppe: hauptsächlich Schülerinnen und Schüler der Sek II - auch geeignet für Sek I und Berufsschule, Fächer: Physik und Geographie

Dr. Sven Bauer, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Sektion 1.2: Globales Geomonitoring und Schwerefeld 

Die Satelliten-Laserradarstation Potsdam (SLR – Satellite Laser Ranging) arbeitet seit Januar 2003 kontinuierlich innerhalb des weltweiten ILRS-Netzwerkes (ILRS – International Laser Ranging Service) und misst mit einem hochpräzisen Laser die Entfernung zu Satelliten in der Erdumlaufbahn.
Die Messungen dienen dazu, die Umlaufbahn der Satelliten sowie verschiedene Parametern der Erde, wie zum Beispiel die Rotationsperiode (die Länge des Tages), zu bestimmen. Außerdem kann aus den Veränderungen der Umlaufbahnen die grobe Form des Gravitationsfeldes bestimmt werden.
Das Prinzip des Satelliten-Laserradars ist relativ einfach: mittels eines Teleskops werden kurze Laserimpulse in Richtung des Laser-Retroreflektors (LRR) an Bord eines Satelliten abgestrahlt. Ein geringer Teil des Signals wird vom Satelliten reflektiert und vom Teleskop wieder eingefangen. Die Zweiweg-Flugzeit (Erde-Satellit-Erde) wird aus der Empfangs- und Abschusszeit der Pulse an der Station gebildet. Mit der Lichtgeschwindigkeit wird daraus die Entfernung von der Station zum Satelliten bestimmt.

Die Satelliten-Laserradarstation wird besichtigt, die Funktionsweise und Anwendungsbereiche erläutert.

Dr. Benjamin Männel, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Sektion 1.1: Geodätische Weltraumverfahren

Erdbeobachtung mit Globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) benötigt neben den Satelliten auch Infrastruktur am Boden. In einer etwa einstündigen Tour werden wir die Bestandteile der Systeme von den Satelliten bis zur fertigen Koordinate kennenlernen und dabei Unterschieden zwischen der Nutzung zur Navigation und den Anwendungen in den Geowissenschaften auf den Grund gehen.

Besichtigt werden die GNSS-Beobachtungsstationen am GFZ und das GNSS-Lab, wo das globale Beobachtungssetz des GFZ und verschiedene Hardwareentwicklungen vorgestellt werden. Die Führung schließt auch das GNSS Auswerte- und Analysezentrum am GFZ ein, dessen Produkte eine wesentliche Voraussetzung für hochgenaue Erdbeobachtung mit GPS&co sind.

Prof. Juri Spritz / Dr. Frederic Effenberger, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ,Sektion 2.8: Magnetosphärenphysik

Das Weltraumwetter, analog zu irdischen atmosphärischen Wetterphänomenen, beschreibt Veränderungen des interplanetaren Mediums und ihre Wirkung auf den erdnahen Weltraum. Die Dynamik der Strahlungsgürtel und ihre Reaktion auf die Sonnenaktivität sind dabei noch immer ein ungelöstes Problem der Weltraumphysik. Das Verständnis der magnetosphärischen Partikelstrahlung ist sehr wichtig, da sie ein Risiko für die Technik der in dieser Höhe fliegenden Satelliten oder auch für die bemannte Raumfahrt und den Luftverkehr darstellen. In diesem Vortrag werden die theoretischen und experimentellen Grundlagen der erdnahen Weltraumforschung diskutiert und ihre Anwendung für effektive Weltraumwettervorhersagen, wie sie am GFZ entwickelt werden, präsentiert. Dabei werden auch Möglichkeiten für Schülerprojekte mit aktuellen Forschungsdaten von Satellitenmissionen aufgezeigt.

Prof. Frank Flechtner, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Sektion 1.2: Globales Geomonitoring und Schwerefeld

Das US-Deutsche Zwillingssatellitenprojekt Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) hat zwischen 2002 und 2017 das Schwerefeld der Erde und dessen zeitliche Veränderungen hochpräzise vermessen. Diese Daten helfen, beispielsweise Veränderungen des Grundwassers oder Gletscherschwund genau zu dokumentieren. Auch dessen Einfluss auf den Meeresspiegelanstieg lässt sich dank GRACE-Messungen aufdecken. Die Mission trägt damit entscheidend dazu bei, das System Erde besser zu verstehen. Der Vortrag wird die wesentlichen Bestandteile der Mission, das Messprinzip, Datenprodukte und einige typische wissenschaftliche Ergebnisse vorstellen. Zusätzlich wird der Stand der Nachfolgemission GRACE-FO, die am 22. Mai 2018 erfolgreich gestartet wurde, diskutiert. GRACE-FO wird die auf Mikrowellenbeobachtungen basierte GRACE-Zeitreihe fortsetzen und den Einsatz von Laser Ranging Interferometrie (LRI) im Weltraum demonstrieren. Mit dem LRI soll die bisherige Genauigkeit und raum-zeitliche Auflösung der GRACE-Zeitreihe verbessert und künftige Next Generation Gravity Missions (NGGM) vorbereitet werden.

Dr. Erik Borg, Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – Nationales Bodensegment, Neustrelitz

Im Jahr 2012 startete das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) den Kleinsatelliten TET-1 (Experimental Technology Carrier) als Testplattform für neue Satellitentechnologien und als Träger für das Multi-Spectral Camera System (MSC) mit fünf Spektralbändern (Grün, Rot, Nahes Infrarot, Mittleres Infrarot und Thermisches Infrarot). Der MSC wurde entwickelt, um quantitative Parameter (z.B. Strahlungsleistung des Feuers, verbrannte Fläche) zur Beobachtung von Hochtemperaturereignissen bereitzustellen. Die Erkennung solcher Ereignisse liefert Informationen für die operative Unterstützung von Feuerwehren, zur Erkennung der Änderung von Hotspots, für die Bewertung der CO2-Emissionen brennender Vegetation und schließlich für Überwachungsprogramme, die Klimamodelle unterstützen. Um die Empfindlichkeit und Genauigkeit des MSC-Systems zu untersuchen, wurde eine Kalibrierungs- und Validierungs-Feuerkampagne entwickelt und durchgeführt, um charakteristische Signaländerungen der entsprechenden Pixel im MWIR- und LWIR-Band abzuleiten. Die Planung und Durchführung der Validierungskampagne und die Ergebnisse werden vorgestellt.

Julia Neelmeijer, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Sektion 1.4: Fernerkundung

Das europäische Sentinel-1 Satellitenpaar liefert für ganz Europa alle sechs Tage frei verfügbare Radarbilder. Mit Hilfe der Interferometrischen Synthetischen Aperatur (InSAR) Methode kann aus einem Radarbildpaar ein sogenanntes Interferogramm generiert werden, welches bildhaft die Oberflächendeformationen im Bereich von Millimetern bis hin zu Änderungen im Meterbereich während des betrachteten Zeitraums aufzeigt.
Dies erlaubt die flächenhafte Abschätzung von Deformationsraten im Zusammenhang mit Erdbeben und Seismologie, Vulkanismus und Glaziologie, wird aber auch genutzt um Bodenabsenkungen oder -hebungen zu detektieren.
Im Vortrag wird das Grundprinzip von InSAR erläutert und ein Überblick über die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der Methodik gegeben.

Dr. René Preusker, Freie Universität Berlin, Institut für Weltraumwissenschaften

Der Vortrag wird einen Überblick über die Sentinel-3 Mission geben, v.a. über das Programm, die Missionsziele und die Instrumentierung. Die Ableitung eines konkreten Produktes (Chlorophylgehalt des Ozeans oder auch Meeresoberflächentemperatur) wird detailliert erläutert, dabei z.B. die Frage diskutiert: Wie funktioniert die Fernerkundung der Ozeanfarbe? Abschließend wird gezeigt werden, wie jeder diese Satellitendaten bekommen und visualisieren kann.