SWOT: ein revolutionärer Satellit für die 3D-Kartierung von Ozeanen und Süßwasser

Erdbeobachtungssatelliten sind unersetzliche Werkzeuge zur Überwachung unseres Planeten und zum Verständnis seiner Funktionsweise. Sie ermöglichen es Wissenschaftlern vieler Disziplinen, ihre Entwicklung zu messen, zu bewerten und zu modellieren, insbesondere im Kontext der globalen Erwärmung. Somit sind 36 der 54 wesentlichen Klimavariablen, die Wissenschaftler zur Beobachtung des Klimawandels definiert haben, vom Weltraum aus messbar.

Im Dezember 2022 starteten CNES und NASA mit Unterstützung der britischen und kanadischen Raumfahrtagenturen den SWOT-Satelliten, der unser Wissen über die Ozeane und Süßwasseroberflächen des Planeten revolutioniert. Damit liefert diese Mission wertvolle Informationen zum Klimawandel und den Ozeanen.

Die Ozeane, Wärmespeicher

Zu diesen wesentlichen Klimavariablen gehört der Meeresspiegel. Tatsächlich sind die Ozeane Wärmespeicher, die 93 % der durch die globale Erwärmung erzeugten überschüssigen Energie absorbieren. Dies führt dazu, dass sich wärmeres Meerwasser ausdehnt (wärmeres Wasser nimmt mehr Platz ein als kaltes Wasser), was zu einem Anstieg des Meeresspiegels führt. Auch das Abschmelzen des kontinentalen Eises (Gletscher, Grönland und Antarktis) trägt seit 2005 zu 56 % zu diesem Anstieg bei.

Der Anstieg des Meeresspiegels ist daher ein wichtiger Indikator für die Folgen der globalen Erwärmung und wird seit 1992 von Altimetriesatelliten (wie TOPEX/Poseidon, dann Jason) überwacht, die die Höhe der Meere auf den Zentimeter genau messen. Der SWOT-Satellit vervollständigte diese historische Serie und weist im Vergleich zu seinen Vorgängern eine innovative Eigenschaft auf: den breiten Schwad. Dank seiner großen Antenne ist SWOT somit in der Lage, die Ozeane in 3D zu kartieren, während „klassische“ Satelliten sich mit einer 2D-Messung auf einer Linie begnügen, die der Spur des Satelliten am Boden entspricht.

Dieses innovative Instrument ermöglicht die Messung der Topographie der Ozeane mit einer horizontalen Auflösung im Kilometermaßstab (im Vergleich zu bisher 100 km). Diese Skala konzentriert einen großen Teil der Ozeandynamik: Eine genauere Untersuchung verbessert das Verständnis der Ozeandynamik sowie seiner Fähigkeit, Wärme zu speichern, erheblich.

Wasser, eine kostbare Ressource

Aber SWOT hat mehr als nur einen Vorteil. Der breite Streifen ermöglicht auch die Messung des Niveaus des kontinentalen Süßwassers (Seen, Flüsse und Flüsse), was mit herkömmlicher Höhenmessung nahezu unmöglich ist, da das Signal mit der Anwesenheit von aufgetauchtem Land abnimmt. Auch Flüsse und Seen sind ein Indikator des Klimawandels. Auch Süßwasserressourcen sind für das Leben auf der Erde und für menschliche Aktivitäten von entscheidender Bedeutung.

Dank SWOT ist es möglich, den Wasserstand von mehr als 90 % auf den Kontinenten zu messen und damit ein neues wissenschaftliches Gebiet zu eröffnen: die räumliche Hydrologie. SWOT ist in der Tat in der Lage, die Höhe von Seen einer bestimmten Größe (100 mx 100 m) sowie die Höhe, Breite, Neigung und Strömung von Flüssen mit einer Breite von mehr als 50 m zu messen. Es ermöglicht somit eine zeitliche Überwachung, während der Jahreszeiten oder bei Extremereignissen (Dürren oder Überschwemmungen).

Eine Hochleistungsmission mit unerwarteten Anwendungen

Rund 60 % der Weltbevölkerung leben in Küstennähe. Es handelt sich um einen Ort, der starken Belastungen ausgesetzt ist, die durch den Klimawandel verursacht werden oder mit ihm in Zusammenhang stehen: Anstieg des Meeresspiegels, Veränderung der Küstenlinie, Erosion usw. Der breite Streifen hat gegenüber herkömmlichen Höhenmessern den Vorteil, dass Messungen näher an der Küste möglich sind. Auch Flussmündungen sind von großem Interesse und die an SWOT arbeitende wissenschaftliche Gemeinschaft hat zahlreiche Projekte in Kanada (Mündung des Sankt-Lorenz-Stroms), im Senegal, an der Seine, der Gironde oder der Bucht von Mont-Saint-Michel initiiert…

Über diese bereits zahlreichen und erwarteten Anwendungen hinaus sind andere Ergebnisse unerwarteter und werden dank der hohen Leistung der Mission ermöglicht. Somit ist SWOT in der Lage, feine Signale wie Wellengang oder die Oberflächensignatur von Unterwasserreliefs zu erkennen, was es ermöglicht, auf die Höhe ozeanischer Berge und Gräben zu schließen. Dutzende dieser Seeberge wurden bereits in einem Jahr kartiert und es wird erwartet, dass SWOT in den kommenden Jahren die Kartierung von 100.000 von ihnen ermöglichen wird.

In Polargebieten ist SWOT in der Lage, Meereis aufzuspüren: Der Vergleich mit Radarbildern von Sentinel-1 ist schon erstaunlich. Seine Präzision ist so groß, dass es sogar Mini-Polar-Tsunamis erkennen kann, diese kreisförmigen Wellen, die durch herabstürzende Eisbergstücke oder deren Kippung erzeugt werden. Die Eigenschaften dieser Wellen ermöglichen es, einzigartige Eigenschaften von Fragmentierungen und anderen Verschiebungen abzuleiten, die vor Ort im offenen Südpolarmeer sehr selten beobachtet werden.

Hin zu einer Nutzung außerhalb von Forschungs- und Wassermanagementdiensten

Die SWOT-Mission wurde von der französischen und amerikanischen Wissenschaftsgemeinschaft als Forschungsmission vorgeschlagen. Aber von Anfang an war diese Mission auch darauf ausgerichtet, Anwendungen und Dienste auf Basis von SWOT-Daten zu entwickeln. CNES hat sich daher um die Zusammenarbeit mit seinen Partnern in Europa (ESA und Europäische Kommission) bemüht, um die Kontinuität der Mission im Rahmen von Copernicus, dem europäischen Umweltüberwachungsprogramm, zu gewährleisten. Dadurch ist es möglich, Beobachtungen und damit verbundene Leistungen langfristig zu erfassen, was insbesondere im Kontext des Klimawandels und der Verringerung der Oberflächensüßwasserressourcen von grundlegender Bedeutung ist.

Dies ist nun für die Sentinel-3-Mission geplant Topographie der nächsten Generation (NG-Topo), die neue Satellitengeneration, die Sentinel-3 und SWOT zur Messung des Pegels von Ozeanen und kontinentalen Gewässern ablösen wird. Um die Zeitspanne zwischen den einzelnen Messungen weiter zu verkürzen, sind zwei Satelliten geplant. Der Start des ersten Sentinel-3 NG-Topo ist nach 2032 geplant.

Letztendlich würden Konstellationen von Kleinsatelliten, die weniger effizient sind, aber tägliche Wiederholungen gewährleisten, in Kombination mit der SWOT-Mission und dann Sentinel-3 NG-Topo eine Überwachung mit beispielloser Präzision und Wiederholungsuntersuchungen der Wasserbestände ermöglichen. Diese verschiedenen Missionen würden einen Überblick sowohl auf globaler als auch auf lokaler Ebene bieten und die Entwicklung von Diensten wie der Überwachung von Überschwemmungen und Dürren, Dämmen, Feuchtgebieten usw. ermöglichen. Das Abenteuer der räumlichen Hydrologie fängt gerade erst an!

Über die Autorin: Pascale Ultré-Guérard. Stellvertretender Direktor für Strategie, Nationales Zentrum für Weltraumstudien (CNES).
Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.