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Hintergrund

Wie salzig ist die Oberfläche unserer Weltmeere und wie feucht ist die Erde der Kontinente?  Wie beeinflusst beides den globalen Wasserkreislauf und wie beeinflusst der Wasserkreislauf beides? Diese Fragestellungen sollen durch eine neue Fernerkundungssatellitenmission SMOS (Soil Moisture & Ocean Salinity) der Europäischen Weltraumagentur ESA beantwortet werden.

Die ESA Mission SMOS wurde mit dem Ziel, genauere Daten über den globalen Wasserkreislauf zu messen, geplant. Der Wasseraustausch zwischen Erde, Ozean und Atmosphäre ist einer der maßgeblichen Faktoren, der das Wetter und Klima bestimmt. Die Ozeane sind die größten Wasserspeicher der Erde, sie bedecken den größten Teil der Erdoberfläche. Sonnenenergie erwärmt das Wasser. Durch Verdunstung, vor allem an der Meeresoberfläche, in geringerem Umfang auch auf dem Festland, entsteht Luftfeuchtigkeit. Weil dieser Wasserdampf leichter ist als Luft, steigt er nach oben in die Atmosphäre. Dort ist es kälter als auf der Erde, deshalb kühlt der Wasserdampf ab und kondensiert.  Dabei entstehen Wolken. Der Wind transportiert die feuchte Luft zum Festland. Wenn die feuchte Luft auf kalte Luftschichten trifft, so schiebt sie sich darüber und steigt auf (Warmfront), ebenso wenn sie auf Bergflanken trifft (Konvektion). Wenn die Luft aufsteigt, kühlt sie sich ab. Kalte Luft kann aber weniger Feuchtigkeit aufnehmen als warme. Wenn die Wolken also bereits mit kondensiertem Wasser gesättigt sind, kommt es zu Niederschlägen, und das Wasser fällt in Form von Regen, Schnee oder Hagel zur Erde zurück.  Abbildung 1 zeigt eine Illustration der Hauptkomponenten des globalen Wasserkreislaufes.

Abb. 1: Wasserkreislauf, Quelle: ESA/AOES Medialab

Durch die Verdunstung und den Niederschlag über den Ozeanen wird der Salzgehalt der Ozeane verändert. Ozeansalzgehalt und Wassertemperatur sind die Haupteinflusskomponenten auf die Dichte, welche ein bestimmender Faktor der Ozeanzirkulation ist. Sie spielen somit eine tragende Rolle zur Regulierung der klimatischen Verhältnisse. Abbildung 2 zeigt eine Illustration der globalen Ozeanzirkulation die z.B. Wärme in die nördlicheren Breitengrade trägt. Wassertemperatur wird schon seit vielen Jahren routinemäßig per Satellit erfasst und die Fernerkundung der Salzgehalte ist somit ein wichtiger Zusatz für unser Wissen der Ozeanzirkulation.

Messungen der Bodenfeuchte sind wertvolle Stützen für meteorologische und hydrologische Modellierung und so von enormer Wichtigkeit für das Vorhersagen extremer Wetterereignisse und deren Auswirkungen. Der Wassergehalt des Bodens hat unmittelbaren Einfluss auf die Energie- und Feuchteflüsse an der Erdober fläche. Er beeinflusst steuernd den Anteilder Verdunstung der Landoberfläche und stellt das für das Pflanzenwachstum verfügbare Wasserreservoir dar. Zudem hängt der Anteil des fallenden Niederschlags, der direkt in ein Gewässer gelangt bzw. in den Boden versickert von der bereits vorhandenen Bodenfeuchte ab. Im Falle hoher Bodenfeuchte ist die Aufnahmefähigkeit des Bodens gering und es kann bei stärkeren Niederschlagsereignissen leichter zu Hochwässern kommen. Aufgrund der zeitlich und räumlich hohen Variabilität der Bodenfeuchte ist eine flächige Messung der Bodenfeuchte schwierig. Hier bieten Satellitendaten, wie jene von SMOS, das Potential flächenverteilte und zeitlich hochauflösende Informationen zu gewinnen.

Abb. 2: Ozeanzirkulation

Einbindung in wissenschaftliche Programme

Bodenfeuchte und Salzgehaltsmessungen entsprechen den Themen 2 (Klima) und 3 (Geosphäre-Biosphäre) des Living Planet Programms der ESA. Sie bilden einen wichtigen Beitrag zu Forschungsprojekten, die sich mit den saisonalen und zwischenjährlichen Klima- Veränderungen und Prozessen beschäftigen. Verschiedene internationale wissenschaftliche Programme wurden ins Leben gerufen um das Verständnis des Erdsystems mit seinen Einflüssen auf Klimaereignisse regionaler Skalen zu vertiefen. Durch das amerikanische Global Change Research Programm (GCRP) werden mehrere sich mit der Thematik beschäftigende Projekte, sowie GEWEX und CEOP miteinander vereint. GEWEX ist das Global Energy and Watercycle Experiment welches sich mit dem Verhältnis der verschiedenen Wasserkreislaufkomponenten zueinander beschäftigt. Es ist eines der Kernprogramme des World Climate Research Programms (WCRP) und integriert Forschung mit Messkampagnen um Klimavorhersagen zu verbessern. Dieser Integrationsprozess wird umgesetzt durch die Coordinated Enhanced Observing Period (CEOP) und basiert auf einer engen Zusammenarbeit mit anderen Projekten und Aktivitäten sowie der CLIVAR (Climate Variability and Predictability) Studie und dem hervorkommenden CliC (Climate and Cryosphere) Projekt. Für diese Projekte wurde eine hohe Priorität auf die globale Vermessung von Bodenfeuchte und Oberflächensalzgehalt gelegt. Weitere Programme die maßgeblich von SMOS profitieren werden sind die LDAS und ELDAS (Land Data Assimilation Schemes) Programme der USA und Europa.