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Virtuelle Kontaktlinse für Radarsatelliten

Algorithmus hilft bei Vermessung des Meeresspiegels

| Autor/ Redakteur: Stefanie Reiffert* / Christian Lüttmann

Wie hoch ist der Meeresspiegel? Wie ändern sich Strömungen in den Ozeanen? Um diese Fragen zu klären, liefern Radarsatelliten Unmengen an Daten. Doch bei der Kartierung der Gewässer stoßen sie an Grenzen: An den Stellen, wo Eis die Meere bedeckt, sind die Radaraugen bisher blind. Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben nun eine neue Methode entwickelt, die dieses Problem löst.

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Das Meer östlich von Grönland ist das ganze Jahr von Eis bedeckt (die weiße Linie zeigt die Grenze des Meereises). Das Wasser darunter unterliegt einer jahreszeitlichen Dynamik und wird beeinflusst durch die Strömungen im atlantischen Ozean.
Das Meer östlich von Grönland ist das ganze Jahr von Eis bedeckt (die weiße Linie zeigt die Grenze des Meereises). Das Wasser darunter unterliegt einer jahreszeitlichen Dynamik und wird beeinflusst durch die Strömungen im atlantischen Ozean.
(Bild: Marcello Passaro and Felix Müller / DGFI-TUM)

Leipzig – Ein Abschmelzen der polaren Eisschilde hätte dramatische Folgen: Der Meeresspiegel würde weltweit um mehrere Meter ansteigen. Hunderte Millionen Menschen, die nahe der Küsten leben, wären betroffen. „Es ist daher eine der wichtigsten Fragen der Gegenwart, wie sich der Klimawandel auf die polaren Gebiete auswirkt“, erklärt Dr. Marcello Passaro vom Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut der TUM.

Der blinde Fleck der Radaraugen

Gerade in den vereisten Regionen der Arktis und der Antarktis lassen sich bisher Veränderungen des Meeresspiegels und der -strömungen nur sehr schwer erkennen. Der Grund: Die Radarsignale der Altimeter-Satelliten, die seit mehr als zwei Jahrzehnten den Abstand zur Erd- und Meeresoberfläche vermessen, werden an den Polen vom Eis reflektiert. Das Wasser darunter bleibt somit unsichtbar.

Dabei tritt Meerwasser auch im Ewigen Eis entlang von Spalten und Öffnungen nach oben. „Diese Wasserflächen sind jedoch sehr klein, und die Signale sind durch das umliegende Eis stark verfälscht. Standard-Auswertemethoden, wie sie für Messungen über dem offenen Ozean verwendet werden, liefern hier keine zuverlässigen Ergebnisse“, erklärt Passaro. Zusammen mit einem internationalen Team hat er jetzt ein Datenanalyse-Verfahren entwickelt, das den Blick der Radaraugen schärft.

Ein Algorithmus für alle Gelegenheiten

Kernstück der virtuellen Kontaktlinse für die Radarsatelliten ist der adaptive Algorithmus Ales+, die Abkürzung steht für „Adaptive Leading Edge Subwaveform“. Ales+ identifiziert automatisch den Teil der Radarsignale, der vom Wasser reflektiert wird und leitet nur daraus die Meereshöhen ab.

Auf diese Weise lässt sich die Höhe des Meerwassers, das in den Spalten und Öffnungen im Eis an die Oberfläche dringt, exakt vermessen. Aus dem Vergleich mit Messungen vergangener Jahre können Klimaforscher und Ozeanographen nun Rückschlüsse ziehen auf Veränderungen des Meeresspiegels und der Meeresströmungen.

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„Das Besondere an unserem Verfahren ist, dass es adaptiv ist“, erklärt Passaro: „Wir können mit ein und demselben Algorithmus die Wasserhöhen im freien und eisbedeckten Ozean bestimmen. Auch für Küstengewässer, Seen und Flüsse ist Ales+ einsetzbar. Die Signale sind hier sehr unterschiedlich, weisen aber immer bestimmte charakteristische Eigenschaften auf, die das System lernt.“ Die Wissenschaftler konnten anhand eines Testszenarios in der Grönlandsee zeigen, dass Ales+ die Wasserhöhen für Meereisregionen und den offenen Ozean liefert – und zwar deutlich präziser als die Ergebnisse bisheriger Auswerteverfahren, heißt es in einer Pressemeldung.

Orginalpublikation: Passaro, M., S. Kildegaard Rose, O. Andersen, E. Boergens, F. M. Calafat, D. Dettmering, J. Benveniste: ALES+: Adapting a homogenous ocean retracker for satellite altimetry to sea ice leads, coastal and inland waters. Remote Sensing of Environment. Remote Sensing of Environment, 2018, DOI: 10.1016/j.rse.2018.02.074.2018.01.0109

* Stefanie Reiffer: Technische Universität München , 80333 München

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