Satelliten in der Erdumlaufbahn überwachen die Bodenfeuchtigkeit, die Wasserverfügbarkeit, den Flusslauf und den globalen Wasserkreislauf

Das Hauptziel der SMAP-Mission ist die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts der obersten Bodenschicht und ihres Zustands (gefroren oder aufgetaut). Eine weitere wegweisende Erkundungsmission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), die HydroGNSS-Satelliten, hat wesentlich zum besseren Verständnis der globalen Wasserverfügbarkeit und der Auswirkungen des Klimawandels auf den globalen Wasserkreislauf beigetragen. Der SWOT-Satellit (Surface Water and Ocean Topography) ermöglicht die Bestimmung des Flussabflusses, definiert als das Wasservolumen, das pro Sekunde an einem bestimmten Punkt entlang des Flusses fließt.

Ein Jahrzehnt globaler Überwachung des Wasserkreislaufs: Die NASA-Mission SMAP (Soil Moisture Active and Passive Monitoring). Die 2015 gestartete NASA-Mission SMAP liefert seit über zehn Jahren globale radiometrische Messungen im L-Band. Messungen bei niedrigen Frequenzen (1,4 GHz bzw. 21 cm Wellenlänge) geben Aufschluss über den Zustand der Erdoberfläche unter allen Wetterbedingungen, unabhängig von der Sonneneinstrahlung. Hauptziel der SMAP-Mission ist die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts der obersten Bodenschicht und ihres Zustands (gefroren oder aufgetaut), wie in der Fachzeitschrift „Proceedings of the Institute of Electrical and Electronics Engineers“ (IEEE) berichtet wird.

An der Erdoberfläche vermittelt die Bodenfeuchtigkeit die Wasser-, Energie- und Kohlenstoffkreisläufe. Diese drei Kreisläufe sind die Hauptfaktoren, die das regionale Klima bestimmen und die Funktionsweise von Ökosystemen regulieren.

Künstlerische Darstellung des SMAP-Observatoriums mit Radiometer und Radar. NASA/JPL/Caltech

Das Hauptinstrument des SMAP-Satelliten ist das L-Band-Radiometer, das präzise Daten zur Oberflächenhelligkeitstemperatur erfasst. Es verfügt über fortschrittliche Hard- und Software zur Erkennung und Unterdrückung von Funkstörungen (RFI). Das Radiometer misst die vertikale und horizontale Polarisation sowie die Stokes-Parameter T3 und T4 der von der Erde ausgehenden Mikrowellenstrahlung. Der Reflektorarm mit einem ausklappbaren 6 Meter großen Lichtgitterreflektor rotiert mit 14,6 Umdrehungen pro Minute und erzeugt so einen 1.000 Kilometer breiten Streifen, während der SMAP-Satellit die Erde in einer sonnensynchronen Umlaufbahn umkreist. Dadurch wird die Erde in zwei bis drei Tagen vollständig erfasst, mit einer präzisen Wiederholung alle acht Tage. Das Radiometer wird monatlich durch Beobachtung von Deep-Sky-Objekten kalibriert.

Das ursprüngliche SMAP-Instrument umfasste ein zugehöriges L-Band-Radar, das von April bis Anfang Juli 2015 in Betrieb war und alle drei Tage über Land ko- und kreuzpolarisierte Radarrückstreudaten mit einer räumlichen Auflösung von etwa 1 km erfasste. Diese Datenerfassung zeigte die Abhängigkeit der L-Band-Signale von der Bodenfeuchtigkeit, dem Wassergehalt der Vegetation und den Frost-Tau-Wechselbedingungen. Der Radarsender fiel am 7. Juli 2015 aus. Kurz darauf, im August 2015, wurden die Radar-Empfangskanäle für die Aufzeichnung von GNSS-Rückstreusignalen (Global Navigation Satellite System) umfunktioniert. Dadurch wurde SMAP zum ersten vollständig polarimetrischen GNSS-Streuungsmesser im Weltraum für Untersuchungen der Landoberfläche und der Kryosphäre.

Ein Jahrzehnt Bodenfeuchtemessungen durch den SMAP-Satelliten hat zu zahlreichen wissenschaftlichen Fortschritten geführt. Die Daten wurden genutzt, um die Wechselwirkungen der drei wichtigsten Stoffwechselkreisläufe (Kohlenstoff, Wasser und Energie) an Land zu quantifizieren. Sie dienten außerdem der Verbesserung der Dürrebewertung und Hochwasservorhersage sowie der Erhöhung der Genauigkeit numerischer Wettervorhersagemodelle. Darüber hinaus werden sie zur Messung der Menge an flüssigem Wasser, der Dicke von Eisschilden und des Salzgehalts der Meeresoberfläche verwendet. Die folgenden Abschnitte beschreiben die vielfältigen gesellschaftlichen Anwendungen der SMAP-Daten.

Die beobachtete Regulation der Photosynthese durch Wasserverfügbarkeit [links] und Lichtverfügbarkeit [rechts] ist dargestellt. Blau kennzeichnet eine stärkere Limitierung. Die Photosyntheseraten beider Karten wurden mittels solarinduzierter Fluoreszenz (SIF) (mW/m² nm sr) mit dem Tropospheric Ozone Monitoring Instrument (TROPOMI) an Bord der Copernicus-Sentinel-5P-Mission der Europäischen Union bestimmt. Die Wasserverfügbarkeit wurde anhand von Bodenfeuchtemessungen (SM) der Soil Moisture Active Passive (SMAP)-Mission ermittelt. Die Lichtverfügbarkeit wurde mittels photosynthetisch aktiver Strahlung (PAR) mit dem Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) auf den NASA-Plattformen Terra und Aqua bestimmt. Die resultierenden Karten zeigen die Modellsteigung (mW/m² / nm/sr) der geschätzten SIF-SM-Beziehung unter Wassermangelbedingungen [links] und die Modellsteigung (10⁻³ / nm/sr) der geschätzten SIF-PAR-Beziehung unter Lichtmangelbedingungen [rechts]. Jonard et al. (2022) in der Zeitschrift Biogeosciences

Das primäre wissenschaftliche Ziel des SMAP-Projekts ist die Entwicklung von Beobachtungsreferenzwerten, die die Wechselwirkungen zwischen Wasser-, Energie- und Kohlenstoffkreislauf an Land aufzeigen. Die Bodenfeuchte ist eine Variable im terrestrischen Zweig des Wasserkreislaufs. Sie koppelt den Wasserkreislauf an den Energiekreislauf, indem sie den latenten Wärmefluss begrenzt – die Energieänderung beim Wärmeaustausch, wenn Wasser einen Phasenübergang durchläuft, wie beispielsweise die Verdunstung an der Land-Atmosphäre-Grenzfläche. Die Bodenfeuchte koppelt auch den Wasser- und den Kohlenstoffkreislauf, wie die Photosynthese von Pflanzen belegt. Die globalen Beobachtungen der Bodenfeuchtefelder durch SMAP, kombiniert mit Fernerkundungsdaten von Elementen des Energie- und Kohlenstoffkreislaufs, können aufzeigen, wie diese drei Kreisläufe in der Realität miteinander verknüpft sind und dienen somit als Referenzwert für Wetter- und Erdsystemmodelle.

Die Photosynthese wird sowohl durch Wassermangel als auch durch unzureichende photosynthetisch aktive Strahlung gehemmt. Globale Karten zeigen, wie Bodenfeuchtigkeit und Licht die Photosynthese regulieren. Diese Referenzdaten können genutzt werden, um zu beurteilen, inwiefern Erdsystemmodelle mit den drei Hauptstoffwechselzyklen des Klimasystems zusammenhängen.

SMAP-Produkte finden breite Anwendung in den angewandten Wissenschaften und Katastrophenschutzsystemen. Bodenfeuchteschätzungen auf Basis von SMAP-Beobachtungen liefern wichtige Informationen für das Management wasserbedingter Katastrophen, beispielsweise zur Überwachung von Dürreperioden in der Landwirtschaft (definiert als anhaltendes Bodenfeuchtedefizit) und Hochwassermengen (definiert als die Fähigkeit der Landschaft, Wasser während Niederschlägen aufzunehmen). Das SMAP-Projekt erzeugt einen parallelen, nahezu in Echtzeit verfügbaren Datenstrom, auf den zahlreiche Bundes- und Landesbehörden in Entscheidungssystemen zu Dürreüberwachung, Ernährungssicherheit, Überschwemmungen und Transportkapazität zugreifen.

Auswirkungen der Hinzunahme von Bodenfeuchtedaten [SMAP-Datenassimilation (DA) minus keine DA] auf eine Simulation des Great Plains Low-Level Jetstream (GPLLJ) mit dem NASA Unified Weather Forecasting Model (NU-WRF). Die Ergebnisse zeigen den Mittelwert von 75 unabhängigen GPLLJ-Ereignissen. Die Diagramme stellen die Differenz der Windgeschwindigkeit mit der Höhe (y-Achse) und der Zeit (Stunden auf der x-Achse) dar. Die einzelnen Felder zeigen den Eintritt des Jetstreams [links], seinen Kern [Mitte] und seinen Austritt [rechts]. Die Assimilation von Bodenfeuchtedaten erhöht die Intensität des simulierten GPLLJ. Die gestrichelte Schattierung entspricht einem statistischen Konfidenzniveau von 99 %. Ferguson (2020) in Monthly Weather Review.

Die mit SMAP erzielten Verbesserungen in der numerischen Wettervorhersage, die erhöhte Modellgenauigkeit und die verringerte Unsicherheit in Klimamodellprognosen basieren auf der Annahme, dass Solarenergie zur Wetter- und Klimadynamik beiträgt. Die Bodenfeuchte hat einen starken Einfluss darauf, wie die verfügbare Solarenergie über Land auf ihre Komponenten (z. B. fühlbarer und latenter Wärmestrom) verteilt wird. Dieser Einfluss breitet sich durch die atmosphärische Grenzschicht aus und beeinflusst letztlich die Wetterentwicklung.

Ein Beispiel hierfür sind die Landoberflächenprozesse, die die Entwicklung von bodennahen Jetstreams (LLJs) über den US-amerikanischen Great Plains beeinflussen können. Diese Jetstreams treiben mesoskalige konvektive Wettersysteme an. Frühere Studien haben gezeigt, dass LLJs empfindlich auf regionale Bodenfeuchtegradienten reagieren. Die Assimilation von SMAP-Bodenfeuchtedaten verbessert die Vorhersagen schwach synoptisch angetriebener oder entkoppelter LLJs im Vergleich zu Vorhersagen gekoppelter, zyklongetriebener LLJs. Beispielsweise zeigt ein NASA-Modell des Unified Weather Research and Forecasting (UNWRF), das 75 NLTs mit einer Auflösung von 9 km (5,6 Meilen) mit und ohne SMAP-Bodenfeuchtedatenassimilation (SMAP-Datenassimilation (DA) bzw. keine DA) einbezieht, wie die mittlere absolute Windgeschwindigkeitsdifferenz zwischen SMAP DA und ohne DA im Verlauf der Simulation annähernd linear zunimmt, mit maximalen Differenzen bei 850 hPa (bzw. mb) am Eintrittspunkt und im Kern des Jetstreams.

Das massive Abschmelzen der grönländischen und antarktischen Eisschilde trägt zum Anstieg des Meeresspiegels bei, einer der gravierendsten und unmittelbarsten negativen Folgen des Klimawandels. Die Geschwindigkeit des Abschmelzens in den letzten Jahren hat weltweit Besorgnis ausgelöst und Länder mit Küstenbevölkerung betroffen. Die Kryosphärenforschungsgemeinschaft fordert Maßnahmen und den Einsatz aller verfügbaren Beobachtungssysteme und Modelle, um die Muster und Geschwindigkeit des Landeisabschmelzens zu überwachen.

Das Abschmelzen der Eisoberfläche beeinflusst den Massenverlust der Eiskappen auf vielfältige Weise: durch direkten Schmelzwasserabfluss aus der Ablationszone des grönländischen Eisschildes, durch strukturelle Veränderungen in der Infiltrationszone des grönländischen Eisschildes, durch Veränderungen der Schmelzwasserretention und der Abflussgrenzen, durch Veränderungen der Struktur antarktischer Schelfeise sowie durch die Destabilisierung von Gletscherabflussmechanismen durch verschiedene Prozesse (z. B. hydraulisches Brechen und Kalben). Langfristige Klimamodelle und Massenbilanzmodelle benötigen präzise Darstellungen der Schnee-, Firn- und Eisbildungsprozesse, um zukünftige Meeresspiegelstände vorherzusagen.

Das SMAP-L-Band-Radiometer besitzt im Vergleich zu anderen Erdbeobachtungsinstrumenten eine relativ lange Wellenlänge [21 cm (8 Zoll)]. Es ermöglicht die Messung des Flüssigwassergehalts (LWC) von Eisschilden und Schelfeisflächen durch den Empfang von Strahlung aus dem Inneren der Schnee-Firn-Eis-Säule. Relativ hohe LWC-Werte absorbieren die Strahlung nur teilweise, wodurch die Messung empfindlich auf Schwankungen der Flüssigwasserhäufigkeit (LWA) innerhalb der Säule reagiert. Abbildung 4 zeigt die kumulative Flüssigwasserhäufigkeit für den Zeitraum 2015–2023, berechnet aus SMAP-Messungen.

Abbildung 4. Jährlicher Gesamtfluss an flüssigem Wasser (DLW) aus SMAP-Daten für 2015–2023. Die durchgezogene schwarze Linie in jeder Karte markiert die Gittergrenzen. Die graue Maske innerhalb des Eisschildes zeigt anhand der abnehmenden Helligkeitstemperatur an, wo Schmelze festgestellt wurde. Andreas Colliander/Finnisches Meteorologisches Institut.

Das SMAP-L-Band-Radiometer wurde auch zur Bestimmung der Dicke dünnen Meereises [<0,5–1 m (<1,6–3,3 ft)] in der Arktis und im Südlichen Ozean eingesetzt. Daten zur Dicke dünnen Eises der SMOS-Mission (Soil Moisture and Ocean Salinity) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) wurden für SMAP unter Verwendung desselben festen Einfallswinkels neu kalibriert. Die Daten zeigen eine gute Übereinstimmung und deutliche Vorteile des kombinierten Datensatzes. Daten zur Dicke dünnen Eises im L-Band ergänzen die hochauflösenden Profile dickeren Eises, die von Satellitenaltimetern (z. B. ESA CryoSat-2 und NASA Ice, Clouds and Land Elevation Satellite–2) gewonnen werden, sinnvoll.

Das gemeinsame NASA/SAC-D-Projekt (Aquarius), das von 2011 bis 2015 lief, erstellte mithilfe des L-Band-Radiometers und des L-Band-Streuungsmessers beispiellose monatliche Karten des globalen Meeresoberflächensalzgehalts mit einer Auflösung von 150 km. Das SMAP-L-Band-Radiometer erweiterte seit dem Ende von Aquarius nicht nur die Daten zum Meeresoberflächensalzgehalt, sondern erhöhte dank seines größeren Reflektors und breiteren Messstreifens auch die räumliche Auflösung und die zeitliche Frequenz dieser Messungen. Diese höhere Auflösung und Wiederholbarkeit ermöglichen neue und beispiellose Einblicke in Mischungsprozesse und Süßwasserphänomene, die Verfolgung von Küstenfahnen und andere lokale ozeanische Merkmale.

Die optische Dichte der Vegetation (VOD) im L-Band, die mit dem Wassergehalt der Vegetation korreliert, wurde mithilfe der dualpolarisierten Helligkeitstemperaturen von SMAP gleichzeitig mit der Bodenfeuchte erfasst und dient einem besseren Verständnis der globalen Ökologie. Wasser im oberirdischen Pflanzengewebe dämpft und depolarisiert dadurch die Mikrowellenstrahlung an der Oberfläche; die VOD quantifiziert diesen Effekt. SMAP liefert globale VOD-Messungen unter allen Wetterbedingungen mit einer zeitlichen Auflösung von zwei bis drei Tagen. Veränderungen der VOD deuten entweder auf die Rehydrierung oder das Wachstum der Pflanzen hin. Ökologen profitieren von diesen neuen Ökosystembeobachtungen, die optische und nahinfrarote Vegetationsindizes (z. B. den Blattflächenindex (LAI)) ergänzen, eine höhere zeitliche Auflösung aufweisen, von Wolken unbeeinflusst bleiben und in dichter Vegetation nicht so schnell sättigen.

Beispiele für die Datennutzung sind die Entschlüsselung von Bedingungen, unter denen Vegetation Bodenwasser nur zur Rehydratation aufnimmt (d. h. ein Anstieg des VOD ohne Änderung des LAI), im Gegensatz zu Zeiten des Pflanzenwachstums (d. h. ein Anstieg sowohl des VOD als auch des LAI). Die Anwendungsmöglichkeiten des VOD erweitern sich, und die Umweltforschung betrachtet dieses Produkt als wertvolle zusätzliche Informationsquelle zum Zusammenhang zwischen Boden- und Pflanzenwasserhaushalt.

Für diese Messmethode existiert derzeit kein vergleichbares bodengestütztes Verfahren. Um diese Methode als neues Mittel zur Überwachung der globalen Ökologie vollständig zu validieren, sind daher Feldexperimente mit Bordinstrumenten und bodengestützten Probenahmeteams erforderlich.

Das SMAP-Projekt arbeitete mit dem Applied Sciences Program der NASA Earth Science Division (heute Earth Science in Action) und den Katastrophenüberwachungs- und -vorhersageeinrichtungen zusammen, um SMAP-Produkte vor und nach dem Start in deren Betriebsabläufe zu integrieren. In einigen operativen Anwendungen, die eine langfristige Datenkontinuität erfordern, werden SMAP-Daten weiterhin zur Beurteilung aktueller Bedingungen sowie für Forschung und Entwicklung genutzt.

Die Bodenfeuchteschätzungen basieren auf SMAP-Daten für Kalifornien, Nevada, Arkansas, Mississippi und Louisiana und wurden vom Nationalen Landwirtschaftlichen Statistikdienst (NASS) des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA) in seinem wöchentlichen Bericht vom 14. bis 20. November 2022 verwendet. Diese länderspezifischen Daten sind auf der NASS-Website verfügbar (Link im Text).

Vor dem Start entwickelte die SMAP-Mission ein Programm zur Erforschung und Förderung der angewandten und operativen Nutzung von SMAP-Daten für Entscheidungsprozesse zum Wohle der Gesellschaft. Um diese Ziele zu erreichen, etablierte SMAP als erste NASA-Mission ein formelles Anwendungsprogramm und ein Programm zur frühzeitigen Nutzung (Early Adoption Program, EA), das schließlich für alle zukünftigen Erdbeobachtungssatellitenmissionen der NASA verpflichtend wurde. Das SMAP-Programm zur frühzeitigen Nutzung steigert die Bekanntheit der Missionsprodukte, erweitert die Nutzergemeinschaft, verbessert die Zusammenarbeit mit potenziellen Nutzern, fördert das Verständnis der SMAP-Datenkapazitäten und beschleunigt die Verbreitung und Nutzung der Missionsprodukte nach dem Start.

Viele der Projekterfolge wurden vor allem durch die aktive und kontinuierliche Zusammenarbeit mit Umweltbehörden und anderen Organisationen erzielt, die im nationalen Interesse tätig sind. Die Bodenfeuchtedaten des SMAP-Projekts werden vom US-Landwirtschaftsministerium (USDA) zur Schätzung von Ernteerträgen im In- und Ausland genutzt. So führt beispielsweise der Nationale Landwirtschaftliche Statistikdienst (NASS) des USDA wöchentliche Erhebungen zum Zustand und Status der Pflanzen sowie zur Bodenfeuchte auf US-amerikanischen Ackerflächen durch. Der NASS veröffentlicht die Bodenfeuchtedaten auf Ebene der einzelnen Bundesstaaten im NASS-Erntefortschrittsbericht.

Herkömmliche Feldmessungen der Bodenfeuchte sind umfangreiche und arbeitsintensive Datenerhebungsprozesse, die sich weitgehend auf die Angaben von Landwirten, landwirtschaftlichen Beratern und/oder anderen Fachexperten stützen, die Feldbeobachtungen durchführen. Eine Einschränkung dieser Beobachtungen besteht darin, dass sie auf subjektiven Einschätzungen anstatt auf quantitativen Messgrößen beruhen und je nach den Angaben einzelner Personen in den jeweiligen Landkreisen zu räumlichen Inkonsistenzen führen können. Darüber hinaus enthalten die Berichte des NASS zum Pflanzenwachstum keine spezifischen Informationen über den geografischen Standort der erfassten Bodenfeuchtebedingungen, was für die Datennutzer äußerst nützliche Metadaten darstellt. Das NASS hat die Nutzung von SMAP-Beobachtungen in seine wöchentlichen Berichte während der Vegetationsperiode (März bis November) integriert.

Obwohl SMAP im geschützten Frequenzbereich von 1400–1427 MHz arbeitet, war das Radiometer während seiner gesamten Betriebszeit Funkstörungen ausgesetzt. Seit seinem Start umfassten SMAP-Messungen sowohl unautorisierte Sender innerhalb des Durchlassbereichs als auch Emissionen außerhalb des Durchlassbereichs von Sendern in der Nähe des zugewiesenen Spektrums. Die zuvor gestarteten Radiometer SMOS und Aquarius wiesen globale Funkstörungen im L-Band nach. Daher wurde SMAP mit einem neuen digitalen Onboard-Detektor ausgestattet, der Funkstörungen erkennt und herausfiltert. Das Radiometer generiert wissenschaftliche Daten sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich, wodurch verschiedene Methoden zur Erkennung von HF-Störungen in der Datenverarbeitungssoftware am Boden eingesetzt werden können.

Die Daten aus dem Orbit zeigen, dass die Erkennung und Filterung von Funkstörungen (RFI) gut funktionieren und die Qualität der SMAP-Helligkeitstemperaturmessungen verbessern. Die Algorithmen filtern am effektivsten zeitlich und frequenzmäßig schwache RFI, wobei die äquivalente Rauschtemperaturdifferenz (NEDT), ein Maß für die Empfindlichkeit des Radiometers, nur minimal beeinflusst wird. In einigen Gebieten der Erde besteht weiterhin ein Problem, da sehr hohe und anhaltende RFI zu erheblichen Datenverlusten durch die Entfernung der verunreinigten Daten führen. Die globale RFI-Erkennungsratekarte für Januar 2025 zeigt einen deutlichen Kontrast zwischen der östlichen und westlichen sowie der nördlichen und südlichen Hemisphäre. Gebiete mit isolierten und starken RFI korrespondieren mit besiedelten Gebieten. Eine Erkennungsrate von 100 % bedeutet, dass alle Pixel markiert und entfernt werden, was zu Datenverlusten führt. Die Analyse der Spektralinformationen legt nahe, dass viele Quellen wahrscheinlich bodengestützte Radarsysteme sind; es bleiben jedoch auch viele hochfrequente Breitbandquellen und niedrigfrequente Nicht-Radarquellen bestehen. In Gebieten geopolitischer Konflikte zeigen Zeit-Frequenz-Analysedaten das Vorhandensein von Störungen, die die gesamte Bandbreite des Radiometerempfängers abdecken.

Das Problem der Funkstörungen wird weiterhin über offizielle Kanäle des Frequenzmanagements und offizielle Berichte behandelt. Diese Berichte enthalten die geografischen Koordinaten der Störquellen, die Störpegel, die Häufigkeit ihres Auftretens im Beobachtungszeitraum sowie spektrale Informationen. All dies unterstützt die Mitarbeiter vor Ort bei der Identifizierung potenzieller Störer. Die Berichte werden an das Frequenzmanagementbüro der NASA gesendet und anschließend über das Satelliteninterferenz-Melde- und -Behebungssystem an das betreffende Land weitergeleitet.

Der aktuelle SMAP-Wissenschaftsdatensatz ist in der Tabelle dargestellt. Die Hauptdaten sind in vier Ebenen (L1–4) unterteilt. L1-Daten repräsentieren die Helligkeitstemperatur des Instruments im L-Band in Kelvin und umfassen alle vier Stokes-Parameter (horizontale und vertikale Polarisation sowie den dritten und vierten Stokes-Parameter). Die Daten beinhalten sowohl den Äquatorüberquerungspunkt um 6:00 Uhr morgens (absteigender Bereich) als auch den um 18:00 Uhr abends (aufsteigender Bereich). Der Benutzer hat Zugriff auf Qualitätskennzeichnungen, die die Verfügbarkeit der Messungen für jedes Projekt angeben. L1B-Daten sind zeitlich geordnet und umfassen Messungen in Längs- und Querrichtung. L1C-Daten werden auf dem EASE2-Gitter (Equal-Area Scalable Earth V2) mit polaren und globalen Projektionen dargestellt. L2-Daten sind geophysikalische Daten (Bodenfeuchte, VOD und binäre Gefrier-/Auftauklassifizierung auf einem festen Erdgitter). L2-Daten, die über eine halbe Umlaufbahn erfasst wurden, sind innerhalb von 24 Stunden nach der Erfassung öffentlich zugänglich. L3-Produkte sind Tageszusammenfassungen und beinhalten alle Halbumläufe des jeweiligen Tages.

Siehe auch... Wissenschaftler erforschen und suchen weiterhin nach potenziell bewohnbaren außerirdischen Welten Wissenschaftler schlagen Alarm: Die Welt verliert rapide Süßwasser Anthropogene und klimatische Veränderungen in den Flüssen und Seen der Erde Die letzten zwei Jahre der Erforschung der Gletscher auf dem Mars haben interessantere Ergebnisse geliefert als erwartet

Tabelle: Die Active Passive Soil Moisture Science Product Suite ist über das National Snow and Ice Data Center, eines der Distributed Active Archiving Centers der NASA, erhältlich.

Das SMAP-Projekt erzeugt auch L4-Daten, die durch Datenassimilation gewonnen werden. L4-Produkte nutzen weitere Umweltbeobachtungen wie Niederschlag, Lufttemperatur und -feuchtigkeit, Strahlungsflüsse an der Landoberfläche sowie zusätzliche Informationen zur Landnutzung und Bodenart, um Bodenfeuchteschätzungen an der Oberfläche (nominal 0–5 cm) und im Untergrund (z. B. von der Wurzelzone bis zu einem Meter Tiefe) abzuleiten. Das Datenassimilationssystem kombiniert Modell und Messungen und ermöglicht so die Bestimmung des Tagesgangs der Landoberflächenbedingungen. Es liefert außerdem Schätzungen von Kohlenstoff-, Energie- und Wasserflüssen an der Oberfläche, wie Verdunstung, Oberflächenabfluss, Brutto-Primärproduktion (BPP) und Respiration. Die Differenz zwischen BPP und Respiration repräsentiert den Netto-Ökosystemaustausch und damit die Nettoquelle bzw. -senke des Kohlenstoffkreislaufs an Land.

Prozentsatz der Pixel auf einem 0,25°-Raster für Januar 2025, die von aktiven und passiven Algorithmen zur Erkennung von Bodenfeuchte-RFI zur Entfernung markiert wurden. Priscilla N. Mohammed/GSFC

Die SMAP-Produktpalette umfasst auch nahezu in Echtzeit (NRT) verfügbare Daten zur Helligkeitstemperatur und Bodenfeuchte für den Einsatz in operationellen Wettervorhersageanwendungen. NRT ist darauf ausgelegt, Daten innerhalb von drei Stunden nach der Messung an die Nutzer zu liefern. NRT nutzt die von SMAP vorhergesagte Antennenausrichtung (anstelle von Telemetriedaten) und modellbasierte Hilfsdaten (Bodentemperatur), um operationelle Zentren zu unterstützen, die mehr als drei Stunden an Daten zur Aktualisierung ihrer Wettervorhersagemodelle benötigen. SMAP erfüllt derzeit die erforderlichen und angestrebten Latenzanforderungen für NRT.

Zwei weitere Datenverarbeitungsprojekte kombinieren synergistische Daten mit anderen (zeitgleich durchgeführten) Satellitenmessungen. Das Projekt SPL2SMAP_S kombiniert SMAP-L-Band-Radiostrahlungsmessungen mit C-Band-SAR-Messungen (Synthetic Aperture Radar) der ESA-Mission Copernicus Sentinel-1. Die SAR-Daten weisen eine hohe Auflösung auf und ermöglichen die Erstellung kombinierter Schätzungen der Bodenfeuchte an der Oberfläche mit Auflösungen von 1 und 3 km. Hochauflösende Bodenfeuchteinformationen sind jedoch nur mit den kombinierten SMAP- und Sentinel-1-Messungen verfügbar. Die Aktualisierungsrate für dieses Produkt ist begrenzt und kann bis zu 12 Tage betragen.

Die kombinierten passiven L-Band-Radiometriedaten von SMOS und SMAP liefern globale, nahezu tägliche Schätzungen der Bodenfeuchte an der Oberfläche. Diese sind unerlässlich für die Modellierung schneller hydrologischer Prozesse wie Schwerkraftdrainage und Grundwasserneubildung. SMAP bestimmt diese Parameter nur teilweise; die Daten werden alle zwei bis drei Tage aktualisiert. Dieses Produkt interpoliert SMOS-Mehrwinkeldaten auf einen SMAP-Einfallswinkel von 40° und nutzt alle SMAP-Algorithmen, einschließlich der Korrektur des Einflusses von Gewässern auf die SMAP-Helligkeitstemperatur, sowie zusätzliche Daten für geophysikalische Inversionen der Bodenfeuchte und der optischen Dichte (VOD), um Konsistenz zu gewährleisten. In einigen Regionen, wie beispielsweise Japan, Teilen Chinas und dem Nahen Osten, ist das kombinierte SMAP-SMOS-Datenprodukt möglicherweise nicht täglich verfügbar, da Funkstörungen die Datenerfassung beeinträchtigen.

Obwohl das SMAP-Radar kurz nach dem Start ausfiel, wurden die gesammelten Daten zur Entwicklung eines Aktiv-Passiv-Algorithmus (AP-Algorithmus) für SMAP verwendet. Dieser Algorithmus wird auf kombinierte SMAP-Radiometerdaten und Radardaten der NASA/ISRO-Mission Synthetic Aperture Radar (NISAR) angewendet – einer kürzlich gestarteten L-Band-SAR-Mission, die globale Bodenfeuchtedaten mit einer räumlichen Auflösung von mindestens einem Kilometer (0,62 Meilen) erfassen soll. Die hochauflösenden Daten könnten die Entwicklung von SMAP-Datenanwendungen erleichtern (z. B. zur Überwachung der landwirtschaftlichen Produktivität, von Waldbränden und Erdrutschen).

Eine geplante Mission erfüllt einige, aber nicht alle Messanforderungen und angestrebten Verbesserungen von SMAP. Die EU-Mission Copernicus Microwave Radiometer (CIMR) ist ein geplantes Mehrkanal-Mikrowellenradiometrie-Observatorium mit einem L-Band und vier weiteren Mikrowellenkanälen, das einen großen Gitterreflektor nutzt. Dieser Gitterreflektor ähnelt dem von SMAP verwendeten, ist jedoch größer. Die erfolgreiche Demonstration rotierender, großer, ausklappbarer Gitterantennen für Erdbeobachtungen durch SMAP erwies sich als nützlich für die Entwicklung von CIMR.

Hinsichtlich der Erkennung von HF-Interferenzen verwendet CIMR ein ähnliches Verfahren wie SMAP. Bezüglich des thermischen Rauschens (NEDT) und der Datenlatenz erfüllt CIMR die für die nächste Mission angestrebten Leistungswerte oder kommt diesen nahe und ist in den meisten Parametern gleichwertig oder besser als SMAP. Die native L-Band-Auflösung von CIMR beträgt ca. 60 km; da die Messungen jedoch deckungsgleich sind, ermöglichen die höher auflösenden Messungen in dieser Konfiguration die Rekonstruktion der L-Band-Radiometrie mit einer höheren Auflösung als die des CIMR-eigenen L-Bands. Es ist möglich, die L- und C-Bänder zu kombinieren, um ein L-Band-Rekonstruktionsprodukt mit einer Auflösung von ca. 15 km auf Basis deckungsgleicher und überlappender Messungen zu erhalten. Dank der großen Messbreite von CIMR ist eine Datenaktualisierungsrate von einem Tag möglich.

Siehe auch... Neue Methode zur Beobachtung einzelner Atome bestätigt jahrhundertealte quantenmechanische Theorie Bis zu 10 % der schweren Elemente des Universums, wie Gold, Platin und andere, entstanden beim Ausbruch eines riesigen Magnetars Ein bisschen über Katzen: Die Geschichte der Domestizierung und interessante Fakten über das Verhalten von Haustieren

Die SMAP-Mission startete 2015 und sammelt seit über zehn Jahren wissenschaftliche Daten. Dank der einzigartigen Instrumenteneigenschaften und Betriebsbedingungen liefert die globale Niederfrequenz-Mikrowellenradiometrie des SMAP-Observatoriums Schätzungen der Bodenfeuchte, der optischen Dichte der Vegetation und der Frost-Tau-Wechsel, die die Ergebnisse bisheriger und laufender Studien übertreffen. Diese Daten finden breite Anwendung in der Erdsystemforschung und werden auch in der Katastrophenforschung eingesetzt.

Die Forschungsgemeinschaften der Erdsystemwissenschaften und ihrer Anwendungen nutzen aktiv die über ein Jahrzehnt gesammelten, hochwertigen globalen L-Band-Radiometriedaten. Die Intensität und Vielfalt der wissenschaftlichen Nutzung von SMAP-Daten zeigt sich in der Anzahl der Publikationen in Fachzeitschriften mit Peer-Review, die SMAP oder Soil Moisture Active Passive im Titel oder Abstract enthalten und SMAP-Daten verwenden (z. B. Suche in der Datenbank www.webofscience.com). Die Autoren weisen darauf hin, dass viele Publikationen diesen Suchansatz meiden. Die Bibliografie umfasst derzeit über 1.700 Einträge und über 20.000 Zitate und deckt verschiedene Bereiche der Erdsystemwissenschaften ab, darunter Hydrologie und den regionalen und globalen Wasserkreislauf, Ozeanographie und Atmosphärenwissenschaften, die Kryosphäre, globale Ökologie und Mikrowellen-Fernerkundungstechnologien.

Das OpenET-Programm, eine öffentlich-private Zusammenarbeit unter der Leitung der Konsortiumspartner NASA, U.S. Geological Survey, California State University, Monterey Bay, Environmental Defense Fund, Desert Research Institute, Google Earth Engine und HabitatSeven, liefert Informationen zur Evapotranspiration.

Evapotranspiration bezeichnet den Wassertransport vom Boden in die Atmosphäre durch Pflanzen und die direkte Verdunstung von der Erdoberfläche. OpenET ist ein unverzichtbares Werkzeug für das Wassermanagement, die Bewässerungsplanung, die Dürreüberwachung und die Brandrisikobewertung.

Das OpenET Data Explorer-Tool wurde ursprünglich 2021 eingeführt und bot Daten für 17 westliche US-Bundesstaaten. Das Farm and Ranch Management Support (FARMS)-Tool, das Anfang 2025 startete, bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche speziell für Landwirte und Tierhalter. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung von FARMS waren Daten für 27 Bundesstaaten verfügbar. Am 15. Dezember 2025 umfassten alle Tools Daten für 48 Bundesstaaten.

Die Karte der kontinentalen USA enthält kostenlose OpenET-Wasserdaten und deckt nun alle 48 Bundesstaaten ab, anstatt nur die westlichsten 27. Die Farbskala zeigt die jährliche Gesamtverdunstung – die Wassermenge, die durch Vegetation und Verdunstung an die Atmosphäre abgegeben wird – von Orange (niedrig) bis Dunkelblau (hoch). OpenET

Anwendungsgebiete von OpenET umfassen:

Wasserverbrauchsmeldung: Die Wasserbehörden von Central und South Delta in Kalifornien nutzen OpenET, um die Meldung des Wasserverbrauchs an den Staat zu unterstützen. Dies führt zu einer erhöhten Meldung seitens der Landbesitzer und erheblichen Kosteneinsparungen für die Landwirte.

Bewässerungsmanagement: Von einzelnen Landbesitzern bis hin zu großen Unternehmen wie Gallo und Sun Pacific Farming unterstützt OpenET Landwirte aller Größenordnungen dabei, den Wasserverbrauch ihrer Pflanzen zu verfolgen, um die Bewässerung zu optimieren, die Erträge zu erhalten oder zu steigern und die Kosten zu senken.

Grundwassererfassung und -bewirtschaftung: Wasserbehörden in Kalifornien und Nebraska nutzen OpenET, eine Open-Source-Plattform zur Grundwassererfassung, die vom Environmental Defense Fund und seinen Partnern entwickelt wurde, um Landwirten die Erfassung und Bewirtschaftung ihrer Wasserressourcen zu erleichtern. Behörden in Oregon und Kansas entwickeln Pilotprojekte mit dieser Plattform.

Am 28. November 2025 startete die erste Erkundungsmission der Europäischen Weltraumorganisation, der HydroGNSS-Satellit. Dies markiert einen wichtigen Schritt zur Erweiterung des globalen Verständnisses der Wasserverfügbarkeit und der Auswirkungen des Klimawandels auf den globalen Wasserkreislauf.

Zwei HydroGNSS-Satelliten wurden um 19:44 Uhr MEZ an Bord einer SpaceX Falcon 9-Rakete im Rahmen der Transporter-15-Mission vom Vandenberg Space Center in Kalifornien in die Umlaufbahn gebracht. Beide Satelliten nutzen die innovative Technologie der GNSS-Reflektometrie (Global Navigation Satellite System), um buchstäblich „Wasser zu finden“, wie die ESA mitteilte.

Dieser Prozess beinhaltet den Empfang von L-Band-Signalen von Navigationssystemen wie GPS und Galileo durch HydroGNSS-Satelliten. Diese Navigationssatelliten senden Mikrowellensignale im L-Band aus, die bei der Reflexion an der Erdoberfläche verändert werden. HydroGNSS-Satelliten vergleichen diese reflektierten Signale mit den direkt von GNSS-Satelliten empfangenen Signalen, um wertvolle Informationen über Eigenschaften des Wasserkreislaufs und vieles mehr zu gewinnen.

Um dies zu erreichen, ist jeder HydroGNSS-Satellit mit einem Empfänger zur Erstellung von Laufzeit- und Dopplerverschiebungs-Karten ausgestattet. Dieser besteht aus zwei Antennen: einer Zenitantenne, die direkte GNSS-Signale empfängt, und einer Nadirantenne, die reflektierte Signale sammelt und verarbeitet, um Laufzeit- und Dopplerverschiebungs-Karten zu erstellen. Mithilfe dieser Technologie messen zwei kleine Satelliten, die die Erde in einem Winkel von 180 Grad umkreisen, Bodenfeuchtigkeit, Frost-Tau-Wechsel, Überschwemmungen und oberirdische Biomasse.

HydroGNSS-Satellit: Auf der Suche nach Wasser. ESA

Diese Daten sind nicht nur entscheidend für ein tieferes Verständnis des Wasserkreislaufs der Erde, sondern auch für Anwendungen wie die Hochwasservorhersage und die landwirtschaftliche Planung.

Durch die Überwachung von Überschwemmungsgebieten und Feuchtgebieten wird HydroGNSS außerdem dazu beitragen, Feuchtgebiete zu identifizieren – wichtige Ökosysteme, die bedeutende Methanquellen sein können – die oft unter Baumkronen verborgen sind.

Informationen über Gefrier- und Auftauzyklen geben Aufschluss über das Gleichgewicht von Oberflächenstrahlung, Energie- und Kohlenstoffaustausch mit der Atmosphäre sowie über das Verhalten des Permafrosts im Untergrund in hohen Breitengraden.

Gleichzeitig helfen Daten zur oberirdischen Biomasse dabei, die Kohlenstoffspeicher der Wälder und ihre Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf zu bewerten.

Inspiriert vom Geist der „New Space“-Bewegung, setzen die Scouts auf Flexibilität und Innovation. Sie nutzen kleine, intelligente Satelliten, um bewährte Technologien zu verkleinern oder kühne neue Wege der Planetenbeobachtung zu erproben. Jede Mission wird innerhalb von nur drei Jahren von der Konzeption bis zum Start mit einem bescheidenen Budget von 35 Millionen Euro realisiert und deckt dabei alle Phasen ab – von der Entwicklung und dem Bau bis hin zum Betrieb im Orbit.

Simonetta Celi, Direktorin der Erdbeobachtungsprogramme der ESA, sagte: „Der Start von HydroGNSS, der ersten Scout-Mission der ESA, ist ein wichtiger Meilenstein für diese neue Familie schneller und kostengünstiger Erdbeobachtungsmissionen. Wir danken dem Hauptauftragnehmer der Mission, SSTL. … Der Start markiert auch einen wichtigen Schritt in der Entwicklung unseres FutureEO-Programms, in dem die Scouts einen schnellen, flexiblen, innovativen und kosteneffektiven Ansatz verkörpern und unsere größeren Earth Explorer-Missionen ergänzen. … Wir sind nun gespannt, wie HydroGNSS mithilfe der GNSS-Reflektometrie wertvolle Informationen über wichtige hydrologische Variablen liefern wird, die den Wasserkreislauf der Erde prägen.“

Das HydroGNSS-System nutzt GNSS-Reflektometrie zur Lokalisierung von Gewässern. ESA

Hauptauftragnehmer der ESA für die HydroGNSS-Mission ist das britische Unternehmen SSTL. SSTL ist auch für den Satellitenbetrieb im Orbit und die Datenverteilung verantwortlich. Die Mission wird teilweise von der britischen Raumfahrtagentur finanziert.

Im Rahmen des Nationalen Missionsstartprogramms brachte SpaceX die nächste Charge von IRIDE-Satelliten in die Umlaufbahn: Eaglet-II für Italien und zwei ICEYE-Satelliten für Griechenland. Beide nationalen Missionen wurden unter Beteiligung der ESA entwickelt. IRIDE ist eine nationale Initiative der italienischen Regierung, die von der ESA mit Unterstützung der italienischen Raumfahrtagentur (ASI) koordiniert wird. Die Mission umfasst Konstellationen von Erdbeobachtungssatelliten, die Satellitendaten zur Überwachung von Landbewegungen, Landbedeckung, Wasserressourcen, Küstenzonen und anderen Umweltfaktoren liefern. IRIDE stellt Dienstleistungen für italienische Regierungsbehörden bereit und unterstützt direkt die Arbeit des italienischen Zivilschutzes.

Zwei neue hochauflösende ICEYE-Radarsatelliten wurden als erste im Rahmen des nationalen Kleinsatellitenprogramms Griechenlands gestartet. Dieses Programm, das im nächsten Jahr weitere Satellitentypen umfassen wird, zielt darauf ab, die griechische Satellitentechnologie und ihre Anwendungsmöglichkeiten zu verbessern, Innovationen und die Schaffung von Arbeitsplätzen zu fördern, das Wirtschaftswachstum anzukurbeln und die nationalen Kapazitäten in den Bereichen Katastrophenmanagement, Umweltüberwachung und Sicherheit zu stärken. Das Hellenische Raumfahrtzentrum und das griechische Ministerium für digitale Verwaltung leiten das Projekt, während die ESA den Gesamtrahmen bereitstellt und ICEYE bei der Entwicklung beider Satelliten unterstützt. Beide Missionen werden von der EU-Wiederaufbau- und Resilienzfazilität finanziert.

Der französische NASA-Satellit SWOT hat eine globale Bewertung des Flussabflusses geliefert. NASA und die französische Raumfahrtagentur CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) haben die erste globale Bewertung von Flussabfluss und Schwebstoffen aus dem Weltraum veröffentlicht und damit eine neue Ära im Verständnis eines der grundlegendsten Systeme der Erde eingeläutet.

Diese Ressource, die auf Daten des SWOT-Satelliten (Surface Water and Ocean Topography) basiert, schätzt den Abfluss von Flüssen – definiert als die Wassermenge, die pro Sekunde an einem bestimmten Punkt eines Flusses fließt – sowie die Konzentration von Schwebstoffen in allen Flüssen der Erde, die breiter als 50 Meter sind. Diese Informationen können dazu beitragen, Süßwasserressourcen effektiver zu bewirtschaften, Überschwemmungen zuverlässiger vorherzusagen und Ernteerträge genauer zu prognostizieren.

Eine Karte, erstellt anhand von SWOT-Analysedaten, zeigt die geschätzten Flussabflüsse weltweit. Diese Informationen finden vielfältige Anwendung, von der Wasserressourcenbewirtschaftung bis zur Hochwasservorhersage. NASA/JPL/UMass

Dies ist nur der jüngste Erfolg von SWOT. SWOT wurde gemeinsam vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien und dem CNES in Zusammenarbeit mit der kanadischen Raumfahrtagentur (CSA) und der britischen Raumfahrtagentur entwickelt und geleitet. Kürzlich zeigte SWOT, dass relativ kleine ozeanische Strukturen wie Wirbel und Wellen einen größeren Einfluss auf die Bewegung von Nährstoffen und Wärme in marinen Ökosystemen haben als bisher angenommen.

Die Daten und Algorithmen, die diese Schätzungen erzeugen, sind öffentlich über die Physical Oceanography Distributed Active Archive Facility der NASA verfügbar, die Teil des Earth Observing System Data and Information System ist.

Kommentieren Sie auf Facebook* Der Inhaber der Firma Meta gilt in Russland als Extremist und ist gesperrt.

Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation Methoden pushState() und replaceState() zum Hinzufügen und Ändern von Verlaufseinträgen in Kombination mit dem onpopstate-Ereignis

Boden HydroGNSS Luftfeuchtigkeit SMAP SWOT Wasser