Satellitenmeteorologie

Peter Köpke

2 Licht und andere elektromagnetische Strahlung

2.1 Grundlagen

Elektromagnetische Strahlung ist Energie, die von jeder Materie mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (–273,15 °C) abgestrahlt wird und die sich ohne tragendes Medium, d.h. auch im luftleeren Raum, ausbreiten kann. Ein Beispiel für elektromagnetische Strahlung ist das sichtbare Licht mit seinen verschiedenen Farben, aber es gibt auch nicht sichtbare Strahlung, die denselben Gesetzen gehorcht. Diese Strahlungsgesetze werden im Folgenden besprochen, wobei aus Gründen der Lesbarkeit in aller Regel das Adjektiv „elektromagnetisch“ weggelassen und nur von „Strahlung“ gesprochen wird.

2.1.1 Farbe, Wellenlänge und Frequenz: Eigenschaften der Strahlung

Elektromagnetische Strahlung zeigt in einigen physikalischen Versuchen eindeutig die Eigenschaften von Wellen, in anderen die von einem Strom masseloser Teilchen, die Strahlungsquanten oder Photonen genannt werden. Dieser „Welle-Teilchen-Dualismus“ erlaubt es, die unterschiedlichen Eigenschaften von Strahlung mit dem menschlichen Vorstellungsvermögen in Einklang zu bringen.

Bei der Betrachtung der Strahlung als Welle kann diese grundlegend durch ihre Wellenlänge λ charakterisiert werden, d.h. dem Abstand zwischen zwei Punkten der Welle mit gleicher Phase (z. B. der Abstand zwischen zwei Wellenbergen). Im Bereich sichtbaren Lichts entsprechen unterschiedliche Wellenlängen der Strahlung jeweils unterschiedlichen Farben. Von violett über blau, grün, gelb und rot steigen die Wellenlängen von rund 400 nm auf rund 750 nm (1 nm entspricht 10

–9

 m oder 10

–3

 μm).

Wie gesagt ist elektromagnetische Strahlung nicht auf den sichtbaren Bereich beschränkt, sondern überdeckt einen Wellenlängenbereich von vielen Zehnerpotenzen (Abb. 2.2). Strahlung bei genau einer Wellenlänge, in der Praxis aus einem sehr engen Wellenlängenintervall, wird „monochromatisch“ genannt. Diese Bezeichnung ist auch außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs verwendbar.

Wird zur Beschreibung der Strahlung das Photonenbild verwendet, so wird die Unterscheidung über die Energie E des einzelnen Strahlungsquants getroffen. Diese ist gegeben durch das Gesetz von A. Einstein:

Dabei ist h eine Naturkonstante, das Plancksche Wirkungsquantum, und ν die Frequenz der Strahlung, also die Zahl der Schwingungen in einer vorgegebenen Zeit, üblicherweise pro Sekunde. Diese Einheit trägt die Bezeichnung Hertz (Hz) (1 Hz entspricht 1/s).

Elektromagnetische Strahlung pflanzt sich im luftleeren Raum unabhängig von ihrer Photonenenergie oder Frequenz immer mit der Lichtgeschwindigkeit c fort, eine Konstante mit dem Wert c = 2,9979 10

8

 m/s. Für die Kombination von Frequenz, Lichtgeschwindigkeit und Wellenlänge gilt

woraus sich der Zusammenhang zwischen der Photonenenergie und der Wellenlänge ergibt:

Die Photonenenergie, die Energie eines einzelnen Photons, ist also umgekehrt proportional zur Wellenlänge der Strahlung. Das bedeutet, dass die Energie eines einzelnen Photons umso höher ist, je kürzer die Wellenlänge der Strahlung ist.

A. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik für dieses Gesetz des fotoelektrischen Effekts, während die Relativitätstheorie in der Begründung der Preisvergabe nicht explizit genannt wurde.

Die pauschale Aussage, dass kurzwellige Strahlung energiereicher ist als Strahlung mit größerer Wellenlänge, ist jedoch falsch. Zwar sind die einzelnen Photonen bei der Strahlung mit der kürzeren Wellenlänge energiereicher, aber die Energie der Strahlung als Ganzes ergibt sich ja als Produkt aus der Zahl der Photonen in einem vorgegebenen Zeitraum und der Energie des einzelnen Photons. Damit kann die Energie von elektromagnetischer Strahlung mit zunehmender Wellenlänge durchaus zunehmen, obwohl die Energie des einzelnen Photons aufgrund der zunehmenden Wellenlänge abnimmt, einfach weil die Zahl der Photonen überproportional steigt. Dies ist keine Besonderheit, sondern gilt immer für Strahlung mit Wellenlängen, die kürzer sind als die des Strahlungsmaximums.

Im Photonenbild kann monochromatische Strahlung als ein Strom von Photonen mit einheitlicher Energie aufgefasst und eine Strahlungsleistung als Zahl der Photonen pro Zeiteinheit angegeben werden. Für die Darstellung der gleichen Strahlung im Wellenbild kann diese als viele verschiedene hintereinander laufende Wellenzüge mit gegebener Wellenlänge λ aufgefasst werden. In Abbildung 2.1 sind mehrere solche Wellenzüge mit fester Wellenlänge dargestellt, die sich in Richtung z ausbreiten. Aufgrund der Dauer einer Emission von rund 10

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s (Hecht, 2005) ergibt sich aus der Lichtgeschwindigkeit eine Länge der Wellenzüge von rund 3 m. (Die Länge der einzelnen Wellenzüge ist in der Abbildung aus Gründen der Veranschaulichung zu kurz dargestellt; sie ist in Wirklichkeit mehr als eine Million mal so groß wie die Wellenlänge). Jeder einzelne Wellenzug schwingt dabei senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, wie bei einem Seil, das geschwungen wird, und ist somit eine transversale Welle. Bei natürlicher Strahlung (beispielsweise Strahlung von der Sonne oder von irdischer Materie emittiert) ist die Ebene der Schwingung für jeden der unendlich vielen Wellenzüge beliebig orientiert und unabhängig voneinander. Wie gesagt, und in Abbildung 2.1 gezeigt, schwingt jeder einzelne Wellenzug senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung z. Aber die jeweilige Lage dieser Schwingung in der x-y-Ebene ist statistisch gleich verteilt – alle Richtungen kommen gleich häufig vor. Damit gibt es für die gesamte Strahlung, als Summe aller Wellenzüge, keine Vorzugsrichtung der Schwingungsebene.

Abb. 2.1

Elektromagnetische Strahlung als Wellenzüge mit unterschiedlicher Schwingungsrichtung.

Eine solche Strahlung, mit statistisch gleich verteilten Schwingungsrichtungen, wird als „unpolarisiert“ bezeichnet. Strahlung, bei der alle Wellenzüge die gleiche Schwingungsrichtung haben, die gleiche Lage der Schwingungsebene in x-y-Richtung, ist dagegen „polarisiert“, genauer gesagt 100 % linear polarisiert. Dieser Zusatz „linear“ ist nötig, da durch Phasenverschiebungsvorgänge auch noch andere Polarisationsformen auftreten können. Weiterhin ist die Angabe eines Polarisationsgrades – zwischen 0 % (unpolarisiert) und 100 % (vollständig polarisiert) – nötig, da die Polarisation nicht zwangsläufig vollständig sein muss.

Die Strahlung aus der Umgebung, das Licht, das gesehen oder fotografiert wird, ist immer teilweise polarisiert. Damit kann durch Polarisationsfilter in Sonnenbrillen die Blendung reduziert werden und durch Polarisationsfilter vor einem Fotoapparat der Bildeindruck verändert werden – ein gestalterisches Mittel.

Die Wirkung von Streu- und Reflexionsprozessen als Ergebnis der Wechselwirkung der Strahlung mit Materie ist abhängig von der Schwingungsrichtung des ankommenden Wellenzugs. Das kann dazu führen, dass ursprünglich unpolarisierte Strahlung nach Reflexion unter einem bestimmten Winkel in einer Schwingungsrichtung dominiert, also durch den Reflexionsprozess polarisiert wird. Auch bei den Streuprozessen, wie sie auf dem Weg durch die Atmosphäre zum Satelliten stattfinden, kann eine Schwingungsrichtung bevorzugt werden, sodass auch die ursprünglich unpolarisierte Sonnenstrahlung zumindest teilweise polarisiert wird. So ist die Strahlung des blauen Himmels im rechten Winkel zur Sonne stark polarisiert und auch die an einer Wasserfläche spiegelnd reflektierte Strahlung – was Fotografen erlaubt, durch die Verwendung von Polarisationsfiltern die Kontraste in ihren Bildern zu betonen. Aber auch von oben, aus Sicht von Satelliten, ist die Strahlung partiell polarisiert, und zwar in Abhängigkeit von den Prozessen, denen die Photonen in der Atmosphäre und am Boden ausgesetzt waren. Damit bietet der Polarisationszustand der am Satelliten gemessenen Strahlung zusätzliches Potenzial für die Fernerkundung von Atmosphäreneigenschaften. Umgekehrt senden Laser (Kap. 2.3.3) polarisierte Strahlung aus, sodass die Reduzierung des Polarisationsgrades im wieder empfangenen Signal als Information über die Atmosphäreneigenschaften genutzt werden kann.

Bei der Satellitenmeteorologie wird Strahlung verwendet, deren Wellenlängen sich um einen Faktor von mehr als 1 Million unterscheiden. Auf anschauliche Dimensionen übertragen entspricht das einem Unterschied zwischen 1 mm und 1 km.

Für die Satellitenmeteorologie wird Strahlung mit Wellenlängen zwischen rund 10

–7

 m und 1 m verwendet (Abb. 2.2). Der Wellenlängenbereich, der insgesamt in der Fernerkundung Anwendung findet, geht also über einen Bereich von mehr als sechs Zehnerpotenzen. Daraus resultiert, dass die Messverfahren in verschiedenen Spektralbereichen unterschiedliche technisch-wissenschaftliche Hintergründe haben und damit traditionell unterschiedliche Angaben zur Beschreibung der Strahlung verwendet werden. Abbildung 2.2. zeigt die Strahlung für den ganzen genutzten Wellenlängenbereich, mit verschiedenen Möglichkeiten zur Bezeichnung der Bereiche. Der Bereich des sichtbaren Lichts, der nur einen winzigen Teil der elektromagnetischen Strahlung ausmacht, ist in der Abbildung zusätzlich vergrößert herausgezogen.

Die für die Satellitenmeteorologie verwendete Strahlung lässt sich grundsätzlich in drei spektrale Bereiche trennen, die sich durch die Quelle der Strahlung sowie die Prozesse in der Atmosphäre und am Boden unterscheiden: der solare, der terrestrische und der Mikrowellen-Bereich. Die Begriffe „solar“ und „terrestrisch“ werden dabei zur Bezeichnung der Spektralbereiche verwendet, um unscharfe Begriffe wie „kurz“ und „lang“ zu vermeiden, die zum Beispiel auch bei Radiowellen vorkommen, dort aber im km-Bereich liegen.

Der solare Spektralbereich ist der Wellenlängenbereich, in dem die Strahlung ursprünglich von der Sonne stammt. Die Strahlung in diesem Spektralbereich wird generell mit der Wellenlänge charakterisiert. Die üblicherweise verwendeten Einheiten sind Nanometer (1 nm = 10

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m) und Mikrometer (1 μm = 10

–6

 m). Beim sichtbaren Licht, dem Teil des solaren Spektralbereichs der vom menschlichen Auge gesehen werden kann, entsprechen verschiedene Wellenlängen verschiedenen Farben (Abb. 2.2). Der solare Spektralbereich geht aber über den Bereich der sichtbaren Strahlung von violett bis rot hinaus. Die Strahlung bei Wellenlängen, die kürzer sind als violett, wird „ultraviolett“ (UV) genannt, und die mit längeren Wellenlängen als rot dementsprechend „infrarot“ (IR). Es sei in diesem Zusammenhang angemerkt, dass sich der Begriff „Licht“ per Definition nur auf Strahlung bezieht, für die das menschliche Auge empfindlich ist. Für die Bereiche ultraviolett und infrarot gilt dies nicht, weshalb auch nicht von UV- oder IR-Licht gesprochen werden sollte, sondern nur von UV- und IR-Strahlung.

Abb. 2.2

Spektrum der in der Satellitenmeteorologie genutzten elektromagnetischen Strahlung.

Der Spektralbereich, in dem die Strahlung von irdischer Materie emittiert wurde, sei es am Boden oder in der Atmosphäre, wird als „terrestrisch“ bezeichnet. Hier wird zur Charakterisierung der Strahlung neben der Wellenlänge häufig der Kehrwert der Wellenlänge verwendet, die „Wellenzahl“, in aller Regel in cm

–1

. Das Maximum der terrestrischen Strahlung liegt bei einer Wellenlänge von rund λ = 10 μm.

Die Begriffe „solar“ und „terrestrisch“ bezeichnen Spektralbereiche der Strahlung, basierend auf deren primärer Quelle, nicht auf sekundären Prozessen. Damit kann auch Strahlung, die von der Erde her am Satelliten ankommt, „solar“ sein, eben wenn es sich um reflektierte oder gestreute Sonnenstrahlung handelt.

Wie gesagt, bezeichnen „solar“ und „terrestrisch“ bestimmte Wellenlängenbereiche, nicht den aktuellen Ausgangsort der gemessenen der Strahlung. Strahlung im solaren Spektralbereich wird auch dann solar genannt, wenn sie künstlich erzeugt wird oder wenn sie zwar von der Sonne stammt, aber am Boden reflektiert oder in der Atmosphäre gestreut wurde und damit scheinbar von Teilen der Erde kommt. Ebenso beschreibt der Begriff „terrestrisch“ einen Spektralbereich unabhängig von der aktuellen Quelle der Strahlung. Da die Strahlung in diesem Bereich stark von der Temperatur des Strahlers bestimmt wird (Kap. 2.2.1), wird sie häufig auch als „thermisch“ bezeichnet.

Die Technik zur Messung von Mikrowellen stammt aus dem Umfeld des Radars, wie es zur Ortung auf Schiffen verwendet wird. Damit werden in diesem Bereich der elektromagnetischen Strahlung traditionell die in der Radartechnik gebräuchlichen Bezeichnungen benutzt, und eine Spezifizierung erfolgt über die Frequenz. Dies gilt jedoch nicht nur für aktives Radar, sondern generell für die Charakterisierung im Spektralbereich der Mikrowellen. Aus der Radar-Tradition resultieren auch die in Abbildung 2.2 angegebenen Buchstaben zur Bezeichnung von verschiedenen Frequenzbereichen. Die für die Satellitenmeteorologie genutzten Mikrowellen liegen zwischen 0,5 und 100 GHz (1 GHz = 10

9

 s

–1

). Nach Gleichung 2.2 ergibt sich daraus, dass die für die Fernerkundung genutzte Mikrowellenstrahlung Wellenlängen zwischen 3 mm und 60 cm hat.

Die Bezeichnung der Strahlung für breitere spektrale Teilbereiche ist uneinheitlich. Auch hier resultieren die verwendeten Namen wieder aus der Geschichte der Sensoren, aus der von den Entwicklern und Betreibern der Radiometer verwendeten Benennung der Spektralbereiche. So haben die Meteosat-Satelliten der ersten Generation in drei breiten Kanälen gemessen, die mit VIS (visible, sichtbar), WV (Water Vapor, Wasserdampf) und IR (infrared, infrarot) bezeichnet wurden. Dabei war der „VIS“-Kanal zwar im Bereich der sichtbaren Strahlung gelegen, hat aber nicht mit diesem übereingestimmt sondern ging über diesen hinaus. Und mit „Wasserdampf“ wird nur indirekt ein Spektralbereich angegeben, eben der, in dem Wasserdampf absorbiert. Der Begriff „infrarot“ wurde bei Meteosat für einen Kanal bei rund 11 μm verwendet. Die Bezeichnung dieser Bereiche blieb auch bei der zweiten Generation von Meteosat (Meteosat Second Generation, MSG) generell erhalten – jedoch, aufgrund der bei MSG viel größeren Anzahl spektraler Kanäle, spezifiziert.

Besonders uneinheitlich ist die Bezeichnung im infraroten Spektralbereich, da unter „infrarot“ jede Strahlung verstanden werden kann, deren Wellenlänge größer ist als die des roten Lichts (> 0,7 μm). Unter Physikern ist die Trennung in „nahes“, „mittleres“ und „fernes“ Infrarot üblich, wobei das mittlere Infrarot für einen sehr weiten Bereich um 10 μm verwendet wird. In der Fernerkundung trägt der Wellenlängenbereich zwischen 8 und 13 μm häufig die Bezeichnungen „thermisch“ oder „thermisches Infrarot“, da dieser Spektralbereich genutzt wird, um Oberflächentemperaturen zu bestimmen. Einige Autoren verwenden „Thermal IR“ für den größeren Bereich zwischen 4 und 50 μm und entsprechend „Near IR“ für die Strahlung zwischen sichtbar und 4 μm und „Far IR“ für den Bereich zwischen 50 μm und den Mikrowellen. Auch Bezeichnungen wie SWIR (Shortwave Infrared), MIR (Middle Infrared) und TIR (Thermal Infrared) sowie TIRWV (thermales Infrarot im Bereich der Wasserdampfabsorption) kommen zur Anwendung. Im Mikrowellenbereich ist der Sprachgebrauch ebenfalls variabel, da sowohl die Frequenzbereiche zur Klassifizierung genutzt werden als auch die Bezeichnung mittels Buchstaben für bestimmte Bereiche (Abb. 2.2).

Als Konsequenz ergibt sich, dass bei jedem Radiometer und bei jeder Publikation darauf geachtet werden muss, was die verwendete Bezeichnung eines Spektralbereichs im Hinblick auf Wellenlänge, Wellenlängenbereich oder Messkanal mit spezifischen Eigenschaften bedeutet. Am saubersten ist natürlich die direkte Angabe von Wellenlängen oder Frequenzen, bei breiteren Kanälen zusammen mit deren spektraler Transmission.

2.1.2 Emission, Absorption und Streuung

Die Moleküle und Atome, aus denen Materie aufgebaut ist, sind in ständiger Bewegung, und zwar nicht nur als Ganzes, sondern auch innerhalb des Moleküls in Form von Schwingungen oder Rotation. Durch Zusammenstöße wird Energie übertragen, wodurch sich die Bewegungsformen des Moleküls ändern können, aber auch Elektronen in den beteiligten Atomen auf höhere Bahnen gelangen können. Derartige angeregte Zustände im Atom oder die verstärkten Schwingungen oder Rotationen im Molekül sind nur selten von längerer Dauer. In den meisten Fällen wird schon nach rund einer milliardstel Sekunde der Ausgangszustand wieder hergestellt, wobei die überschüssige Energie in Form eines Photons abgestrahlt wird. Durch diesen Prozess, die „Emission“, wird praktisch permanent thermische Energie in Strahlung überführt. Die Energiedifferenz des Übergangs im Atom oder Molekül von dem einen zum anderen Zustand bestimmt nach Gleichung 2.3 die Wellenlänge der Strahlung, die damit wiederum den individuellen Übergang charakterisiert.

Wenn ein Photon auf ein Teilchen trifft, überträgt es umgekehrt seine Energie auf das Teilchen, sei es nun Atom oder Molekül, und bringt es so in einen angeregten Zustand. In den meisten Fällen ist dieser Zustand auch nur von extrem kurzer Dauer. Es wird gleich wieder ein Photon abgestrahlt. Da die Energiestufe bei beiden Prozessen die gleiche ist, ist auch die Energie des wieder abgestrahlten Photons die gleiche, nur seine Richtung wird meistens eine andere sein. Im Strahlungsbild ergibt sich eine Änderung der Richtung der Strahlung, aber ohne Änderung der Wellenlänge. Dieser Prozess heißt „Streuung“.

Wenn die Streuprozesse an einer festen Oberfläche erfolgen wird nur die in den rückwärtigen Halbraum gestreute Strahlung wieder dem Strahlungsfeld zugeführt. Der mikrophysikalische Prozess ist derselbe, der Vorgang wird aber als „Reflexion“ bezeichnet. Dabei kann die reflektierte Strahlung in jede mögliche „Zurück“-Richtung gehen, die „spiegelnde“ Reflexion ist bei natürlichen Oberflächen die Ausnahme (Kap. 2.1.3).

Bei der Wechselwirkung von Strahlung mit Wolken kommen beide Begriffe zur Anwendung. Wird die Wolke als Anhäufung von Tropfen aufgefasst, handelt es sich um Streuung an Wolkentropfen, wobei allerdings jedes Photon schnell viele Streuprozesse erleben kann, da die streuenden Teilchen dicht beieinander liegen. Wird die W