Bestimmung des Bodenwassergehalts über großflächigen Räumen basierend auf C- und Ku-band Scatterometer Daten

Der Wassergehalt des Bodens ist eine wichtige Komponente der globalen Energie und Wasserkreisläufe. Bodenfeuchte ist ein limitierender Faktor in der landwirtschaftlichen Produktion, bestimmt die Art und Funktionsweise von Ecosystemen, beeinflußt den Wasserabfluß und das Wettergeschehen, und ist ein wichtiges Element in Klimastudien. Der Bodenwassergehalt kann auf dem Boden mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Allerdings sind aufgrund hoher Kosten umfangreiche Datensätze von Bodenmessungen kaum vorhanden. Die Mikrowellenfernerkundung könnte dieses Problem lösen, da Bodenfeuchtigkeitskarten von großen Gebieten relativ kostengünstig erstellt werden könnten. Allerdings müssen Methoden gefunden wie man die verschiedenen Einflußgrößen auf das Fernerkundungssignal separiert. Obwohl satellitengestützte Scatterometer ursprünglich gebaut wurden, um Windgeschwindigkeit und Windrichtung über den Ozeanen zu messen, können sie auch potentiell für die Bestimmung des Bodenwassgehalts über großflächigen Räumen eingesetzt werden. Scatterometer sind Radarsysteme mit einer relativ hohen Aufnahmefrequenz und einer räumlichen Auflösung zwischen zirka 10 bis 50 Kilometer. Das ERS Scatterometer ist ein C-Band Radar (5.3 GHz) und wurde an Bord der Europäischen Fernerkundungssatelliten ERS-1 und ERS-2 geflogen. Es hat seit dem Start von ERS-1 im Juli 1991 einen ununterbrochenen Datenstrom von höher Qualität über Land und über den Ozeanen geliefert. NASA bereitet den Betrieb eines Ku-Band Scatterometers (13.4 GHz) vor, das sich an Bord der Satelliten QuickSCAT (voraussichtlicher Starttermin 19. Mai 1999) und ADEOS II (Start im Jahre 2000) befinden wird. Der von den Scatterometern aufgenommene Rückstreukoeffizient hängt von der Vegetation, und über Gebieten mit niedriger Vegetation (Gräser, landwirtschaftliche Flächen, nackter Boden) von der Bodenfeuchtigkeit und der Bodenrauhigkeit ab. Für die Abschätzung der Bodenfeuchte müssen die Beiträge der anderen Faktoren aus dem Signal heraus gefiltert werden. Für das ERS Scatterometer existiert bereits ein Algorithmus zur Abschätzung des Bodenwassergehalts zur Verfügung, der heterogene Landschaftsklassen und das Wachstum der Vegetation berücksichtigt. Der Algorithmus wurde über einer Reihe von Gebieten getestet, wurde aber noch nie über einem ganzen Kontinent angewendet. Das Rückstreuverhalten von Land im Ku-Band ist aufgrund der kurzen Lebensdauer von vergangenen Ku-Band Scatterometers noch nicht gut erforscht. Hier sind noch fundamentale Arbeiten notwendig bevor ein Algorithmus zur Abschätzung des Bodenwassergehalts vorgeschlagen werden kann. Das Ziel des Projektes ist es, unser Wissen über das Rückstreuverhalten im C- und Ku- Band über Land zu vertiefen, und dieses Wissen anzuwenden, um basierend auf Scatterometer Daten Bodenfeuchte großflächig zu bestimmen. Dabei sollen Bodenfeuchtekarten von guter Qualität erzeugt werden die für andere Disziplinen (Agronomie, Meteorologie, Hydrologie, Klimastudien) nützlich sein könnten.

SHARCKS konnte erstmals das Potential von satellitengestützten Scatterometern zur Ableitung von Bodenfeuchte aufgezeigt, und in Folge der erste globale Bodenfeuchtedatensatz weltweit abgeleitet werden, der zukünftig Wissenschaftern im Bereich der Klimatologie, Agronomie, Meteorologie und Hydrologie zur Verfügung steht. Das Projekt SHARCKS befasste sich mit der Analyse und Auswertung von Scatterometer Daten mit dem Ziel Bodenfeuchteinformation hoher Qualität abzuleiten. Scatterometer sind aktive Mikrowellensensoren die in der Regel von Satelliten aus die Erdoberfläche mit einer geringen räumlichen (einige Kilometer) dafür aber einer hohe zeitlichen (wöchentliche - tägliche globale Abdeckung) Auflösung beobachten. Daher eignet sich dieser Sensortyp besonders zur Beobachtung globaler Prozesse die einer hohe Dynamik unterliegen, wie zum Beispiel der Bodenfeuchte. Die Gewinnung von Informationen über den Zyklus und Anomalien der Bodenfeuchte ist aus vielerlei Hinsicht interessant. Bodenfeuchte ist ein limitierender Faktor in der landwirtschaftlichen Produktion, bestimmt die Art und Funktionsweise von Ecosystemen, beeinflusst den Wasserabfluss und das Wettergeschehen, und ist ein bestimmendes Element klimatischer Zyklen. Im Gegensatz zur Bedeutung dieser geophysikalischen Größe sind aufgrund hoher Kosten umfangreiche Beobachtungsnetzwerke auf kleine Gebiete in der nördlichen Hemisphäre begrenzt. Zur Zeit wird daher in die satellitengestützte Beobachtung der Erdoberfläche (Fernerkundung) und im besonderen der Mikrowellenfernerkundung große Hoffnung gesetzt. Bis jetzt war es aber nicht möglich aus den zur Verfügung stehenden Daten Bodenfeuchte großräumig abzuleiten. Das Fehlen geeigneter Information wird von vielen Wissenschaftern damit als wesentliches Hemmnis für Entwicklungen im Bereich verschiedenster Anwendungen (Erntevorhersagen, Wettervorhersagen, Flut und Dürre Frühwarnsysteme...) mit weitreichenden gesellschaftlichen Folgen gesehen. Die Amerikanische als auch die europäische Weltraumbehörde haben aus diesem Grund eigene Hydrologie Schwerpunkte im Bereich der Satellitenfernerkundung gesetzt, dem Aqua (NASA) und dem Soil Moisture and Ocean Salinity SMOS (ESA) Programm, die beide auf passive Mikrowellensensoren beruhen. Mit SHARCKS konnte erstmals das Potential von Scatterometern und einer eigens für diesen Sensortyp entwickelten Methode zur Ableitung von hydrologischen Parametern, aufgezeigt werden. Die globale Anwendung der Methode hat in Folge zur Ableitung des ersten globalen Bodenfeuchtedatensatzes hoher Qualität weltweit geführt, der zukünftig Wissenschaftern im Bereich der Klimatologie, Agronomie, Meteorologie und Hydrologie zur Verfügung steht. Erkenntnisse von SHARCKS werden darüber hinaus direkt zum Erfolg von multinationalen Großprojekte wie Aqua, SMOS und künftigen Satellitenmissionen wie dem Advanced Scatterometer der 2005 gestartet wird beitragen.