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In der Dunkelheit sehen

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Wie viele vermutlich bereits anderswo gelesen haben, ist vor kurzem ein recht großer Eisberg in der Antarktis abgebrochen, und zwar am Larsen-C-Schelfeis an der Ostseite der antarktischen Halbinsel. Das interessante daran ist weniger das Ereignis selbst (ja, das ist ein großer Eisberg und ja, seine Entstehung ist vermutlich Teil eines allgemeinen Trends des Rückgangs der Schelfeis-Flächen an der antarktischen Halbinsel im Verlauf der vergangenen hundert Jahre – aber nein, das ist nicht wirklich rekordverdächtig oder besonders alarmierend, wenn man das Ganze auf einem Zeithorizont von mehr als einem Jahrzehnt betrachtet). Interessant ist mehr die Art und Weise wie darüber kommuniziert wird. Eisberge dieser Größenklasse treten in der Antarktis in Intervallen von einigen Jahren bis Jahrzehnten auf. Es ist bekannt, dass viele der großen Schelfeis-Platten ein zyklisches Wachstum unterbrochen vom Kalben großer Eisberge wie diesem aufweisen, teilweise auf Zeitskalen von über fünfzig Jahren. Dieses war das erste mal, dass so ein Ereignis aus der Entfernung detailliert verfolgt wurde. In der Vergangenheit hat man so etwas meist einige Tage oder Wochen nach dem eigentlichen Ereignis bemerkt, während diesmal das Abbrechen erwartet worden ist und die Entwicklung der Risse im Eis detailliert verfolgt wurde. Es gab über Monate immer wieder Vorhersagen, dass das Kalben des Eisberges jetzt innerhalb von wenigen Tagen zu erwarten ist – oder anders ausgedrückt: Eine ganze Menge Leute hatten anscheinend ziemlich falsche Annahmen dazu, wie genau dieser Prozess ablaufen würde.

Ich bin nicht wirklich mit der Dynamik von Eis auf diesem Maßstab vertraut, so dass ich das nicht im Detail diskutieren werde. Wichtig ist immer im Hinterkopf zu behalten, dass sich Eis auf dem Maßstab von mehreren zehn bis hunderten Kilometern und unter den Drücken die dabei auftreten deutlich anders verhält als man dies in Analogie mit der Beobachtung von Eis auf Seen oder Flüssen vielleicht vermuten würde.

Der andere interessante Aspekt bei diesem Kalbungs-Ereignis ist, dass es in der Polarnacht stattfand. Da sich das Larsen-C-Schelfeis südlich des Polarkreises befindet, liegt die Gegend um diese Jahreszeit im Dunkeln. Wie beobachtet man also ein Ereignis in permanenter Dunkelheit auf Grundlage offener Satellitenbild-Daten?

Eine der interessantesten Möglichkeiten zur Beobachtung der Erde bei Nacht ist das Day/Night Band des VIIRS-Instruments. Dies ist ein Sensor im sichtbarem/NIR-Bereich, welcher sehr geringe Lichtmengen detektieren kann. Am bekanntesten ist dieser Sensor über Visualisierungen der Lichter menschlicher Siedlungen bei Nacht – welche künstliche Farben zeigen.

Dieser Sensor kann Bilder mit Hilfe von Mondlicht oder anderen nächtlichen Lichtquellen wie dem Polarlicht aufnehmen. Auf diese Weise sind einige der ersten Aufnahmen des frei schwimmenden Eisberges entstanden.

Antarktis im Mondlicht – VIIRS Day/Night Band

Dieses Bild verwendet eine logarithmische Farbskala, die tatsächlichen Lichtmengen variieren über das gezeigte Gebiet um etwa drei Größenordnungen.

Eine deutlich ältere und besser etablierte Methode zur Beobachtung bei Nacht ist die Beobachtung im thermischen Infrarot. Im langwelligen Infrarot-Bereich emittiert die Erdoberfläche Licht entsprechend ihrer Temperatur und diese Emissionen unterscheiden sich kaum zwischen Tag und Nacht. Wolken emittieren natürlich auch im langwelligem Infrarot, weshalb Aufnahmen im thermischen Infrarot insbesondere auch attraktiv sind und häufig verwendet werden zur durchgehenden Wetterbeobachtung Tag und Nacht von Wettersatelliten aus.

Thermische Infrarot-Bilder gibt es vom zuvor erwähnten VIIRS-Instrument, genauso aber auch von MODIS und Sentinel-3 SLSTR. Hier ein Beispiel unseres Gebietes von SLSTR.

Leuchten im Dunkeln – thermische Infrarot-Emissionen, aufgezeichnet von Sentinel-3 SLSTR

Während der Polarnacht treten die höchsten Temperaturen in der Gegend an offenen Wasserflächen auf wie auf der Westseite der Antarktischen Halbinsel oben links und die niedrigsten Temperaturen gibt es auf der Oberfläche der Schelfeis-Flächen und auf den untersten Teilen der Gletscher aus der Ostseite der Halbinsel. Die Umrisse des neuen Eisberges sind sehr gut sichtbar durch das recht warme offene Wasser in der Lücke zwischen Eisberg und Schelfeis, welches nur von wenig Eis überdeckt wird.

Thermische Infrarot-Bilder gibt es auch in deutlich höherer Auflösung von Landsat und ASTER. Landsat nimmt nicht routinemäßig bei Nacht Bilder in der Antarktis auf, jedoch wurden aufgrund des aktuellen Interesses an der Gegend in letzter Zeit einige Bilder dort aufgezeichnet. Hier eine Zusammenstellung von Bildern vom 12. und 14. Juli.

Hochauflösende thermische Infrarot-Aufnahmen von Landsat 8

Wie man sieht, wird die Sicht durch Wolken erheblich beeinträchtigt, insbesondere in den Bildern auf der rechten Seite, wo das Eis durch diese teils komplett verdeckt ist. Hier noch ein vergrößerter Ausschnitt um den Detaillierungsgrad zu zeigen.

ASTER bietet keine aktuellen Bilder der Gegend. Im Prinzip bietet ASTER jedoch derzeit die thermischen Aufnahme-Fähigkeiten mit der höchten Auflösung – sowohl im Bereich offener Daten als auch in der Welt öffentlich verfügbarer Daten generell, obwohl es vermutlich nicht öffentlich bekannte und zugängliche Sensoren mit höhere Auflösung im thermischen Infrarot gibt.

Bis jetzt sind alle gezeigten Bilder von passiven Sensoren aufgenommen, welche natürlich auftretende Emissionen oder Reflexionen messen. Die andere Möglichkeit zur nächtlichen Beobachtung besteht in der Verwendung aktiver Sensoren, insbesondere von Radar. Dieser Ansatz hat den zusätzlichen Vorteil, dass er unabhängig von Wolken ist (welche bei den verwendeten Wellenlängen im Grunde transparent sind).

Radar ist jedoch im Grunde erst einmal kein bildgebendes Verfahren. Man nehme zum Beispiel das klassische Navigations-Radar von Schiffen mit rotierender Antenne – das zweidimensionale Bild wird hier aufgebaut, indem man die Signal-Laufzeit des reflektierten und empfangenen Signals in die jeweilige Richtung aufträgt. Die Radar-Daten von Satelliten arbeiten im Grunde gar nicht so viel anders.

Satelliten-basierte Systeme, welche offene Radar-Erdbeobachtungs-Daten produzieren, gibt es derzeit auf Sentinel-3 und Sentinel-1. Sentinel-3 verfügt über einen Radar-Höhenmesser, welche die Position der Erdoberfläche entlang eines schmalen Streifens direkt unter dem Satelliten vermisst. Dies ist für die Beobachtung eines Eisbergs und seiner Entstehung nicht wirklich nützlich.

Sentinel-1 hingegen verfügt über ein klassischen bildgebendes Radar-System. Das meist verwendete Daten-Produkt von Sentinel-1 sind Ground Range Detected-Daten, welche meist in Form eins Graustufen-Bildes visualisiert werden – oder durch ein Falschfarben-Bild, wenn mehrere Polarisationen gemeinsam dargestellt werden. Hier ein Beispiel für das hier behandelte Gebiet.

Durch Wolken schauen – Bildgebendes Radar von Sentinel-1

Man beachte, dass das zwar wie ein Bild von oben aussieht, dieser Eindruck jedoch trügt. Das zweidimensionale Bild entsteht hier durch Interpretation der Signal-Laufzeit als Abstand (was eine weitgehend korrekte Annahme ist) und dadurch, dass man den Abstand auf einen Punkt auf einem Ellipsoid-Modell der Erde projiziert (was eine extreme Vereinfachung darstellt). In anderen Worten: Das Bild zeigt die Intensität des reflektierten Radar-Signals an dem Punkt, von wo das Signal käme, wenn die Erde ein perfekter Ellipsoid wäre. Für das Schelfeis ist dies kein so großes Problem, denn dieses ragt nicht mehr als vielleicht hundert Meter aus dem Wasser auf, was recht nahe am Ellipsoid-Modell ist, aber man sollte nie versuchen, aus so einer Visualisierung direkt Positions-Informationen über Punkte an Land abzuleiten.

Man sieht auch, dass das Rauschen in den Radar-Daten meist sehr viel stärker ist, das in optischen Bildern. Wir sprechen hier schließlich über ein Signal, welches mehrere hundert Kilometer weit ausgesendet wird, dann reflektiert und wovon ein ganz kleiner Teil am Ende über mehrere hundert Kilometer zurück reflektiert und aufgezeichnet wird. Aus Radar-Daten quantitative Informationen abzuleiten ist deutlich schwieriger als bei optischen Bildern. Aber der große Vorteil ist natürlich, dass man nicht durch Wolken beeinträchtigt ist.

Da dies möglicherweise verwirrend ist für Leser, die auch anderswo Bilder dieses Ereignisses sehen – die Darstellungen hier sind alle in UTM-Projektion und in etwa nordorientiert.

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