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Interview | „Eine große Chance für unsere Methodenentwicklung“ - GNSS-Arbeitsgruppenleiter Maximilian Semmling im Interview

Dr. Maximilian Semmling vor einer GNSS-Empfangsantenne auf dem Telegrafenberg in Potsdam (Foto: GFZ).

Wir sprechen mit Maximilian Semmling, dem Leiter der Arbeitsgruppe GNSS-Reflektometrie in der GFZ-Sektion Geodätische Weltraumverfahren. Bei der nun startenden größten Arktis-Expedition aller Zeiten, MOSAiC, unter der Leitung des Alfred Wegener Instituts, testet er eine neue Methode der Fernerkundung, bei der er die an der Erdoberfläche reflektierten Radiosignale nutzt, um beispielsweise Eisdicken zu untersuchen.

Sie sind Leiter der Arbeitsgruppe GNSS-Reflektometrie. Womit beschäftigt sich die Arbeitsgruppe?

Wir beschäftigen uns mit den reflektierten Signalen der globalen Satelliten-Navigationssysteme, die Abkürzung dafür ist GNSS für Global Navigation Satellite Systems.

Aktuell entwickeln wir eine Methode, mit der wir diese Reflektionen zur Beobachtung der Meeresoberfläche nutzen. Wir wollen wissen, ob sich die reflektierten GNSS-Signale eignen, um Meereis oder Parameter wie die Höhe des Meeresspiegels zu untersuchen. Perspektivisch soll die Methode auch auf Reflektionen der Landoberfläche angewendet werden, um zum Beispiel die Bodenfeuchte zu bestimmen.

Wie funktioniert die Methode?

Es gibt eine ganze Reihe an GNSS-Satelliten, also Navigationssatelliten wie die GPS- oder die Galileo-Satelliten, die ihre Radiosignale zur Erde senden. Das Tolle ist, dass wir diese Signale auch für die Fernerkundung verwenden können. Für unsere neue Methode machen wir die von der Oberfläche reflektierten GNSS-Signale durch einen entsprechend angepassten Empfänger nutzbar.

Sie nehmen an der vom Alfred Wegener Institut geleiteten Arktis-Expedition MOSAiC teil, der größten jemals durchgeführten Arktis-Forschungsexpedition. Was machen Sie dort?

Wir sehen die Teilnahme als eine große Chance für unsere Methodenentwicklung. Unsere Hauptfrage ist dabei erstmal nicht „Wie ist das Meereis global verteilt“. Wir wollen zunächst testen, was wir mit einer Messung der reflektierten Radiosignale vom Schiff aus über das Meereis herausfinden können. Dafür müssen wir genau wissen, wie das GNSS-Signal ins Meereis eindringt. Anders als Licht, das zum großen Teil vom Meereis reflektiert wird, dringen Radiosignale relativ weit in das Eis ein.

Über die Eigenschaften des reflektierten Signals - Amplitude und Frequenz -wollen wir nicht nur ableiten wo Meereis ist, sondern auch, wie dick oder wie alt es ist. Wir können dann Meereistypen charakterisieren.

Welche Möglichkeiten bietet Ihnen eine Messung vom Schiff aus im Vergleich zu Satelliten- oder Flugmessungen?

Bei der Messung vom Schiff aus sind wir wirklich vor Ort. Das sind für die methodische Entwicklung ganz andere Möglichkeiten, als nur von weit oben drauf zu schauen. Wir kommen den direkten Messungen auf dem Eis, die im MOSAiC Projekt sehr wichtig sind, sehr nah.

Natürlich können die Erkenntnisse aus dem MOSAiC-Projekt dann zukünftig auch Reflektometriemessungen voranbringen, die wir später vom Satelliten aus machen wollen.

Was macht das MOSAiC-Projekt für Ihre Arbeit besonders?

Im MOASiC-Projekt sollen möglichst viele Informationen über die Arktis gesammelt werden. Wir können unsere GNSS-Daten mit den ganzen Daten, die parallel zu unseren Messungen gesammelt werden, in Zusammenhang stellen und so unsere Methode besser auswerten.

Das Projekt ist sehr interdisziplinär. Es gibt atmosphärische Messungen, Meereismessungen, eine Arbeitsgruppe beschäftigt sich nur mit der Biologie im Eis und so weiter. Dadurch können alle gemessenen Daten mit sehr vielen anderen Daten in Verbindung gesetzt und so insgesamt interpretiert werden. Dadurch erhält man ein viel besseres Verständnis der Gesamtsituation, aber auch der einzelnen Datensätze.

Für uns ist es wichtig, genau zu wissen, welche Informationen die gemessenen Reflektometrie-Daten überhaupt liefern. Auch wenn wir nah dran sind arbeiten wir doch an einer Fernerkundungsmethode, bei der die Geräte nicht in direkten Kontakt mit dem Eis kommen. Wir müssen also die gemessenen Signaleigenschaften erst interpretieren bevor wir die Eiseigenschaften daraus ableiten können.

Wie wurde bisher die Meereisdicke bestimmt?

Bisher werden hierfür zum Beispiel Radiometer verwendet. Sie nutzen keine aktiv gesendeten Signale sondern messen die passive Abstrahlung des Eises. Auch SAR-Daten kommen zum Einsatz. ‚SAR‘ steht für Synthetic Aperture Radar und ist eine Radarmethode, bei der Oberflächen vom Flugzeug oder Satelliten aus abgescannt werden.

Der Vorteil unserer Methode ist, dass wir durch die Vielzahl an GNSS-Satelliten eine große Abdeckung erreichen und trotzdem einen kleinen Sensor haben. Es stehen also viele und permanent gemessene Daten zur Verfügung. Und diese Radiosignale erreichen die Erde relativ ungehindert und sind beispielsweise unabhängig von der Wolkenbedeckung oder dem Tag-Nacht-Zyklus und den Lichtverhältnissen nutzbar.

Bietet es sich an, die Methode anhand von Meereis zu testen, weil es eine eher gleichmäßige Oberfläche hat?

Das dachte ich zuerst auch, aber tatsächlich hat Meereis eine recht ausgeprägte Topographie. Besonders altes Meereis, in dem sich Schollen gegeneinander und übereinander schieben, hat manchmal bis zu mehrere Meter Höhenunterschiede.

Wer könnte die von Ihnen entwickelte Methode nutzen?

Durch den Klimawandel wird die Schifffahrt in der Arktis voraussichtlich zunehmen. Dafür kann es sinnvoll sein, die Meereisdicken vom Schiff aus bestimmen zu können.

In der Wissenschaft lassen sich die Daten für eine bessere Modellierung der Erde oder der arktischen Ozeane nutzen. Wir können so zum Beispiel Auswirkungen des Klimawandels in Zukunft viel genauer und umfassender überwachen. Aber die Genauigkeit der Informationen lässt sich eben nur verbessern, indem man die Methodik erforscht.

Wann kann man davon sprechen, dass Ihre neue Methode so weit entwickelt ist, dass sie bereit für die Anwendung ist?

Es gibt das sogenannte technical readiness level. Für manche Ansätze ist man schon relativ weit. Es gibt beispielsweise GNSS-Bodennetze, die nicht vom Satelliten sondern von Bodenstationen aus per Reflektometrie Meereshöhen messen können. Das hat sich seit 2008 entwickelt und es hat circa zehn Jahre bis zur einsetzbaren Methode gedauert.

Für unsere Methode müssen wir viele Parameter noch kritisch bewerten, um vom Konzept zur Anwendung zu kommen. Bei Meereshöhenmessungen ist es zum Beispiel die Verzögerung in der Atmosphäre: Die Signale werden bei ihrem Weg durch die Atmosphäre abgelenkt, beispielsweise durch den Wasserdampfgehalt, der die Laufzeit des Radiosignals ändert, jedoch nicht die Stärke des Signals. Wir müssen verstehen, wie genau der Wasserdampf das Signal verzögert, um dann Korrekturen zu berechnen.

Gibt es weitere spannende Projekte, an denen Sie im Moment arbeiten?

Wir haben eine Kooperation mit französischen Partnern in Calais, also an der Nordküste Frankreichs, mit denen wir Flugmessungen durchführen. Dabei nutzen wir unsere Sensoren für Reflektometrie, um aus dem Flugzeug heraus die Meereshöhe entlang des Küstenverlaufs zu untersuchen. In dem Zusammenhang schauen wir auch, ob wir mittels der reflektierten Signalen etwas über den Seegang aussagen können.

Für die Weiterentwicklung unserer Methoden in der Polarforschung haben wir außerdem einen Messaufbau in einer Forschungsstation im arktischen Ny-Alesund, Spitzbergen, installiert.

Was ist Ihr Hintergrund, wie sind Sie zum Spezialisten für GNSS-Reflektometrie geworden?

Ich habe ursprünglich Physik studiert und dabei immer die Anknüpfung zu anderen Themen und Anwendungen gesucht. Am Ende des Studiums habe ich mich vor allem biologischen Systemen gewidmet. Dann fand ich aber das Arbeitsumfeld 'Geowissenschaften' sehr attraktiv: reisen, die Welt entdecken, und habe mich am GFZ beworben.

Wie sieht die Zukunft der GNSS-Reflektometrie aus? Welche Herausforderungen gibt es, nachdem Ihre Methode in die Anwendung überführt ist?

Die Höhenmessung über den Ozeanen mittels Reflektometrie ist eine große Herausforderung. Noch sind wir nicht so weit, dass wir global flächendeckend präzise Höhenmessungen machen können. Da müssen wir noch an vielen Stellschrauben arbeiten, einschließlich des GNSS-Signals selbst. Wenn uns die Dynamik in dem Forschungsgebiet erhalten bleibt, können wir diesem Ziel aber Stück für Stück näher kommen.

Interview Ariane Kujau

Mehr Informationen zur MOSAiC-Expedition:

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