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Blick aus dem All - Training für Doktoranden

2018 startet der Erdbeobachtungssatellit EnMAP ins All. Das Besondere: EnMAP scannt die Erdoberfläche hyperspektral und eröffnet so den Wissenschaftlern ganz neue Perspektiven. Dank der neuen Technik erkunden sie einzelne Ökosysteme wie Wälder, Agrarflächen, Flüsse oder Küstenmeere aus der Ferne und leiten Aussagen über den Zustand und Veränderungen ab. Vom 23. bis 27. März 2015 findet dazu eine vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) organisierte EnMAP-Doktorandenschule statt. Lesen Sie hier das Interview mit dem HZG-Projektverantwortlichen und Organisator der Doktorandenschule Dr. Hajo Krasemann.

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Praxis an Bord des HZG-Forschungsschiffs Ludwig Prandtl: Die Teilnehmer der Summerschool nehmen Wasserproben aus der Elbe und analysieren sie.[Foto: Ina Frings/HZG]

Wofür steht eigentlich die Abkürzung EnMAP?

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Hajo Krasemann [Foto: privat]

EnMAP steht für Environmental Mapping und Analysis Program. Dabei handelt es sich um eine vom Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) geleitete Weltraummission, die von verschiedenen wissenschaftlichen Instituten und Unternehmen begleitet wird. Gefördert wird das Programm vom Bundeswirtschaftsministerium. Das Ziel: 2018 einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, der die Erdoberfläche hyperspektral untersucht.

Was genau bedeutet hyperspektral?

Hyperspektrale Sensoren arbeiten nach dem Prinzip bildgebender Spektrometer und erfassen die von der Erde reflektierte Sonnenstrahlung in hunderten eng benachbarten spektralen Kanälen - vom sichtbaren Licht bis zum mittleren Infrarot. Für jedes einzelne Pixel des Sensors ergeben sich eine große Anzahl typischer Reflexionsspektren, die es uns erlauben, aus der Ferne in sehr kleinen Dimensionen zu forschen und etwa Minerale in Gesteinen und Böden zu identifizieren, Vegetationsbestandteile und –zustände zu messen oder Wasserinhaltsstoffe zu bestimmen.

Warum sind hyperspektrale Sensoren bisher so selten, wenn sie eine höhere Auflösung und Informationsdichte besitzen?

Die Technik hat sich erst in den vergangenen Jahren rasant entwickelt. Auch ist es davon abhängig, was ich untersuchen will. Klassische Satelliten haben gröbere Bänder, das heißt sie haben nur einige Wellenlängen, die sie untersuchen, und insgesamt eine geringere Auflösung. Sie sind für das Monitoring gebaut und können den gesamten Globus abbilden. EnMAP dagegen hat so viele Farbkanäle und eine so hohe Ortsauflösung, dass sich der Satellit für gezielte Regionalstudien eignet. Im freien Ozean würden wir von der Datenmenge schier erschlagen.

Wie ist das HZG eigentlich zur EnMAP-Mission gekommen?

Begonnen hat alles Ende der 90er Jahre. Damals entwickelte das HZG in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumagentur (ESA) einen Algorithmus speziell für Küstengewässer und hat ihn bis heute weiterentwickelt. Seit die ESA 2002 den Satelliten Envisat mit dem optischen Sensor MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) ins All schickte, ist auch der HZG-Algorithmus Teil der ESA-Standardauswertung und wird ständig weiterentwickelt. Ende diesen Jahres startet die Nachfolgemission Sentinel-3 mit OLCI (Ocean Land Colour Instrument), wo wir wieder den Beitrag für die Küste leisten. Die EnMAP-Projektverantwortlichen haben uns deshalb zur Mitarbeit eingeladen.

Was wollen Sie mit EnMAP untersuchen?

Alle Beteiligten widmen sich verschiedenen Forschungsaufgaben. Während sich unsere Partner zum Beispiel mit dem Boden und der Vegetation oder der Analyse von Ökosystemen befassen, konzentrieren wir uns auf Küsten- und Binnengewässer.

Die eigentliche Mission beginnt erst Anfang 2018, was machen Sie bis dahin?

Wir entwickeln Methoden, um das Hyperspektrale optimal ausnutzen zu können.

Heißt dies, Sie arbeiten an einem Algorithmus?

Ja, aber stellen Sie sich dies nicht als reine Modelliertätigkeit vor. Wir müssen auch schauen, ob unsere Überlegungen mit den Gesetzmäßigkeiten in der Natur übereinstimmen.

Wie genau gehen Sie da vor?

Es ist etwas verrückt. Wir sehen ja in Anführungszeichen nur eine Farbe. Aus dieser Farbe schließen wir auf die Inhaltsstoffe im Wasser. Deshalb müssen wir die Wasseroptik sehr genau kennen und gleichzeitig verstehen, wie einzelne Bestandteile wie Salze, Temperatur, Schwebstoffe, Algen und Abfallprodukte, die Optik beeinflussen. Beeinflussen heißt, wie viel absorbieren sie, wie viel streuen sie, und das in jeder Wellenlänge. Dafür müssen wir auch die genaue Konzentration kennen. Erst dann beginnen wir zu modellieren, testen den Algorithmus an möglichst vielen Fällen und rechnen das Ergebnis.

Das klingt nach viel Arbeit.

Das stimmt. Wir profitieren aber natürlich von jahrelanger Forschung und können zum Beispiel auf Daten aus der Nord-und Ostsee, dem Atlantik oder dem Schwarzen Meer zurückgreifen.

Welche Erkenntnisse versprechen Sie sich von der EnMAP-Mission?

Für uns wird es spannend, wenn wir nicht über Chlorophyll allgemein sprechen, sondern beginnen, verschiedene Algengruppen allein durch Absorption und Streuung zu unterscheiden. Künftig ist es sogar denkbar, dominierende und vielleicht toxische Algen zu erkennen. Auch wollen wir Dynamiken beobachten und kleine Strukturen untersuchen, was erst die hohe Ortsauflösung möglich macht. Eine Frage, die uns am Institut für Küstenforschung bewegt, ist: Wie bedeutend sind kleine Strukturen für Transporte von Energien und Temperaturen.

Stecken noch weitere Chancen in dem Projekt?

Dadurch, dass wir die Technik genau kennen, können wir sie als Erste und gezielt einsetzen. Uns sind auch die Grenzen bekannt. Außenstehende müssen dagegen viele Jahre warten, bis alle technischen Probleme verstanden und gelöst sind. Parallel wollen wir schauen, ob wir unsere Erkenntnisse mit anderen Instrumenten kombinieren können. Sentinel-2 hat zum Beispiel die gleiche Ortsauflösung aber deutlich weniger Farbkanäle, aber er liefert tägliche Daten für den ganzen Globus.

Zurzeit findet die bereits vierte EnMAP-Doktorandenschule statt. Welches Konzept steckt dahinter?

Ein wichtiger Baustein von EnMAP ist es, Nachwuchswissenschaftler über Workshops und Doktorandenschulen miteinander zu vernetzen, sie in wichtigen Spezialgebieten weiterzubilden und sie so auf ihre künftige Arbeit vorzubereiten.

Wer sind die Teilnehmer?

Die Teilnehmer sind im Wesentlichen Doktoranden, ungefähr ein Drittel direkt aus dem EnMAP-Projekt, und die anderen kommen aus Instituten mit Forschungsinteresse an der hyperspektralen Anwendung.

Woher kommen sie?

Bisher war EnMAP ein rein nationales Projekt. Das soll sich künftig ändern. Neben Deutschen, können wir in diesem Jahr deshalb erstmals Teilnehmer aus Italien, Gambia, China und Russland begrüßen.

Was genau erwartet die Teilnehmer?

Zum Überblick bieten wir allgemeine Vorträge über EnMAP, die Methodik der hyperspektralen Fernerkundung und die verschiedenen Anwendungsgebiete an. Der Schwerpunkt der Doktorandenschule liegt in diesem Jahr auf Anwendungen für Wasser. Mittwoch geht es dann in die Praxis. Wir nehmen Wasserproben und analysieren sie, schauen wie wir über die Reflektanz zu den Wasserinhaltsstoffen kommen, werten exemplarisch Satellitensignale aus und erstellen Modellierungen. Während der Woche sollen die Teilnehmer auch die EnMAP-Box, eine frei zugängliche Online-Software-Plattform, kennenlernen und damit experimentieren. Hier sind Softwarekomponenten für die EnMAP-Datenauswertung abgelegt.

Gruppefoto Doktorandenschule

Teilnehmer der EnMap-Doktorandenschule vom 23. bis zum 27. März 2015.

Das klingt nach einem spannenden Workshop. Ich danke ihnen für das Gespräch und wünsche Ihnen anregende Tage.

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