Nachweis von Regen über dem Ozean durch Navigationssatelliten

Um beispiel­sweise den Kli­mawan­del zu analysieren oder Infor­ma­tio­nen über Naturge­fahren bere­itzustellen, ist es für Forschende wichtig, Wis­sen über den Regen zu sam­meln. Eine bessere Ken­nt­nis der Nieder­schlags­menge und ihrer Verteilung kön­nte beispiel­sweise zum Schutz vor Über­schwem­mungen durch Flüsse beitra­gen. An Land kön­nen Messstellen Dat­en liefern, indem sie den Nieder­schlag sam­meln. Auf dem Meer ist das nicht so einfach.

Ein neuer Ansatz eines Teams um Milad Asgarimehr, der in der GFZ-Sek­tion für Geo­dätis­che Wel­traumver­fahren und an der Tech­nis­chen Uni­ver­sität Berlin forscht, gemein­sam mit Forschen­den vom Earth Sys­tem Research Lab­o­ra­to­ry des Nation­al Ocean­ic and Atmos­pher­ic Admin­is­tra­tion der USA (NOAA) sowie der Uni­ver­sität Pots­dam nutzt Infor­ma­tio­nen, die in Radarsig­nalen von GNSS-Satel­liten (Glob­al Nav­i­ga­tion Satel­lite Sys­tem) enthal­ten sind, um Regen über dem Meer zu erken­nen. Die Tech­nolo­gie trägt den Namen GNSS-Reflek­tome­trie. Sie ist eine inno­v­a­tive Satel­liten-Fern­erkun­dungsmeth­ode mit einem bre­it­en Spek­trum geo­physikalis­ch­er Anwen­dun­gen. Asgarimehr und seine Kol­le­gen haben ihre Ergeb­nisse nun im Fachjour­nal Geo­phys­i­cal Research Let­ters veröffentlicht.

Nach Ansicht der Forschen­den kön­nte der neue Ansatz dazu beitra­gen, Nieder­schläge in der Atmo­sphäre bess­er zu überwachen als bish­er. Asgarimehr: „Unsere Forschung kann als Aus­gangspunkt für die Entwick­lung eines zusät­zlichen Regenindika­tors dienen. Wir kön­nen damit Nieder­schlagsin­for­ma­tio­nen mit­tels GNSS-Reflek­tome­trie mit bish­er unerr­e­ichter zeitlich­er Auflö­sung und räum­lich­er Abdeck­ung liefern.“

„GNSS sind ‚All­wet­ter-Nav­i­ga­tion­ssys­teme‘“, erk­lärt Asgarimehr. „Eine lange gehegte Grun­dan­nahme war deshalb, dass ihre Sig­nale so ver­fasst sind, dass sie durch Wolken oder typ­is­che Nieder­schläge in der Atmo­sphäre nicht merk­lich abgeschwächt wer­den und Nieder­schläge deshalb nicht erken­nen kön­nen.” Die neue Studie nutzt einen anderen Effekt, um Regen über dem Meer nachzuwei-sen: Die Rauheit der Meeresoberfläche.

GNSS-Reflektometrie kann Rauheit der Meeresoberfläche messen

Diese Ober­fläche ist vor allem deshalb ‘rau’, weil Winde auf ihr Wellen erzeu-gen. Die Stärke der an der Ober­fläche reflek­tierten Satel­litensignale ver­hält sich umgekehrt pro­por­tion­al zu ihrer Rauheit: Je mehr und je stärk­er die Wellen, desto schwäch­er ist das reflek­tierte Sig­nal. Kür­zlich kon­nten Forschende nach­weisen, dass es möglich ist, die Windgeschwindigkeit über den Ozea­nen aus Mes­sun­gen der Rauheit sein­er Ober­fläche zu ermitteln.

Regen­tropfen, die auf eine Meere­sober­fläche fall­en, verän­dern eben­falls deren Rauheit. Milad Asgarimehr und das Team um ihn stell­ten sich die Frage: „Kann die GNSS-Reflek­tome­trie Nieder­schläge über Ozea­nen erken­nen?“ Das ist auch der Titel ihrer jet­zt erschiene­nen Studie.

Lautet die Antwort ja, kön­nten GNSS-Reflek­tome­trie-Satel­liten Regen fast wie ein Beobachter erken­nen, der Regen­tropfen zusieht, wie sie das Spiegel­bild des Mon­des auf der Ober­fläche eines Sees bei Nacht stören. Es gibt jedoch einen wesentlichen Unter­schied: Anders als das Mondlicht sind die GNSS-Sig­nale in der Lage, die Wolken zu durchdringen.

Ein neues theoretisches Modell kommt zur Hilfe

Bei der Analyse von Dat­en des Nav­i­ga­tion­ssatel­liten TDS‑1 (TechDemoSat‑1) fand Asgarimehr Hin­weise darauf, dass Regen über Ozea­nen nach­weis­bar ist, sofern der Wind nicht zu stark weht. Allerd­ings fehlte sein­er Forschung noch eine the­o­retis­che Begrün­dung. „Lange dachte man, dass solche GNSS-Reflek­tome­trie-Mes­sun­gen unempfind­lich gegenüber der klein­räu­mi­gen Ober­flächen­rauheit sein müssten, die durch Regen­tropfen auf der Meere­sober­fläche verur­sacht wird“, erk­lärt Asgarimehr. Doch die Veröf­fentlichung eines neuen the­o­retis­chen Mod­ells im Jahr 2017 lieferte eine plau­si­ble Abschätzung für die Physik der Streu­ung von Radarsig­nalen an ein­er von schwachen Winden ge-störten Meeresoberfläche.

Milad Asgarimehr sagt: „Die Tech­nik ist noch jung und wir müssen unser physikalis­ches Ver­ständ­nis, unsere Mod­elle und Algo­rith­men weit­er verbessern, um tief­ere GNSS-basierte Regen­in­for­ma­tio­nen zu erhal­ten. Aber die Arbeit lohnt sich, wenn wir damit in Zukun­ft Daten­lück­en bei der Überwachung von Nieder­schlä­gen schließen können.“