Kapitel 2 : Temperaturmessung per Satellit
Rückschlüsse auf die Temperatur der Atmosphäre in verschiedenen Höhen sowie auf die Temperaturen der Meeres- und Landoberfläche werden aus radiometrischen Daten abgeleitet, die von Satelliten aufgezeichnet werden. Satellitentemperaturmessungen werden auch als Satellitentemperaturmessungen bezeichnet. Diese Beobachtungen haben das Potenzial, zur Lokalisierung von Wetterfronten, zur Überwachung der El Niño-Southern Oscillation, zur Bestimmung der Intensität tropischer Wirbelstürme, zur Nutzung städtischer Wärmeinseln für Forschungszwecke und zur Überwachung des globalen Klimas genutzt zu werden. Mit Hilfe von Wärmebildern von meteorologischen Satelliten ist es auch möglich, industrielle Brennpunkte, Vulkane und Waldbrände zu lokalisieren.
Es gibt keine direkte Messung der Temperatur, die von Wettersatelliten erhalten wird. Mit ihnen werden Strahlungen über einen weiten Bereich von Wellenlängenbändern gemessen. Die Intensität der aufsteigenden Mikrowellenstrahlung von Luftsauerstoff wird seit 1978 von Mikrowellensondierungseinheiten (MSUs) auf polarumlaufenden Satelliten aufgezeichnet, die von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) betrieben werden. Diese Intensität hängt mit der Temperatur breiter vertikaler Schichten der Atmosphäre zusammen. Seit 1967 werden Messungen der Infrarotstrahlung gesammelt, die sich auf die Temperatur der Meeresoberfläche beziehen.
Die Troposphäre hat in den letzten vier Jahrzehnten einen Erwärmungstrend erlebt, während die Stratosphäre einen Abkühlungstrend erlebt hat, wie Satellitendatensätze zeigen. Es besteht ein Zusammenhang zwischen dem Einfluss steigender Mengen an Treibhausgasen in der Atmosphäre und diesen beiden Entwicklungen.
Die Strahlung wird von Satelliten über einen weiten Bereich von Wellenlängenbändern gemessen. Diese Messungen müssen dann mathematisch invertiert werden, um indirekte Rückschlüsse auf die Temperatur abzuleiten. Die Besonderheiten der Verfahren, die zur Ableitung von Temperaturen aus Strahlungen verwendet werden, bestimmen die Temperaturprofile, die dabei erzeugt werden. Als Konsequenz daraus haben viele Akteure, die die Satellitendaten ausgewertet haben, Temperaturdatensätze entwickelt, die sich voneinander unterscheiden.
Es ist nicht möglich, eine homogene Zeitreihe von Satelliten zu erhalten. Es besteht aus einer Sammlung von Satelliten, deren Sensoren zwar vergleichbar, aber nicht identisch sind. Darüber hinaus verschlechtern sich die Sensoren im Laufe der Zeit, und es sind Korrekturen erforderlich, um die Drift und Verschlechterung der Umlaufbahn zu berücksichtigen. Die Interkalibrierung wird durch die Tatsache erschwert, dass besonders hohe Disparitäten zwischen rekonstruierten Temperaturreihen in den wenigen Fällen auftreten, in denen es nur eine begrenzte zeitliche Überlappung zwischen nachfolgenden Satelliten gibt.
Es ist möglich, Infrarotstrahlung zu verwenden, um nicht nur die Temperatur der Oberfläche zu messen (durch die Verwendung von Wellenlängen, die für die Atmosphäre transparent sind), sondern auch die Temperatur der Atmosphäre (durch die Verwendung von Wellenlängen, die für die Atmosphäre nicht transparent sind, oder durch die Messung der Temperatur der Wolkenoberseiten in Infrarotfenstern).
Generell sind wolkenfreie Bedingungen für Satelliten erforderlich, die zur Extraktion von Oberflächentemperaturen durch Messung von thermischem Infrarot verwendet werden. Auf dem kanadischen Satelliten SCISAT-1 gibt es mehrere Instrumente, die zum Einsatz kommen. Zu diesen Instrumenten gehören das Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), Along Track Scanning Radiometers (AASTR), die Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS), der Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) und das ACE Fourier Transform Spectrometer (ACE-FTS).
Seit 1967 sind Wettersatelliten in der Lage, Informationen über die Meeresoberflächentemperatur (SST) zu liefern, und die ersten globalen Komposita wurden im Jahr 1970 hergestellt. Seit 1982 werden immer häufiger Satelliten zur Messung der Meeresoberflächentemperatur (SST) eingesetzt, was ein umfassenderes Verständnis der regionalen und zeitlichen Schwankungen der Variablen ermöglicht. Änderungen der Meeresoberflächentemperatur (SST), die mit Hilfe von Satelliten verfolgt wurden, wurden genutzt, um die Entwicklung der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) seit den 1970er Jahren zu belegen.
Aufgrund der verschiedenen Inhomogenitäten, die auf der Oberfläche vorhanden sind, ist es schwieriger, die Temperatur aus den Strahlungen zu ermitteln, wenn man über Land reist. Der städtische Wärmeinseleffekt war Gegenstand von Forschungen, die mit Hilfe von Satellitenfotografie durchgeführt wurden. Laut Weng, Q. und Kollegen wurde die räumliche Anordnung von städtischen Wärmeinseln durch die Anwendung der fraktalen Technik definiert. Die Detektion von Dichtediskontinuitäten (Wetterfronten) in Bodennähe, wie z.B. Kaltfronten, kann durch den Einsatz moderner sehr hochauflösender Infrarot-Satellitenbilder erreicht werden. Dies ist nützlich in Situationen, in denen keine Trübung vorhanden ist. Zum Zwecke der Abschätzung der maximalen anhaltenden Winde und des minimalen zentralen Drucks ausgewachsener tropischer Wirbelstürme können Infrarot-Satellitenbilder verwendet werden, um die Temperaturdifferenz zwischen dem Auge und der Wolkenobertemperatur der zentralen dichten Bewölkung zu berechnen. Dies kann durch die Verwendung des Dvorak-Ansatzes erreicht werden.
Nachts erscheinen Waldbrände als Pixel mit einer Temperatur, die höher als 308 Kelvin (35 Grad Celsius; 95 Grad Fahrenheit) ist. Along Track Scanning Radiometer, die auf Wettersatelliten installiert sind, sind in der Lage, diese Flammen zu identifizieren. Das bildgebende Spektralradiometer mit mittlerer Auflösung, das auf dem Terra-Satelliten installiert ist, ist in der Lage, thermische Hotspots zu identifizieren, die mit Vulkanen, Waldbränden und verschiedenen industriellen Hotspots in Verbindung stehen.
Um die Temperatur der Atmosphäre in Bodennähe zu bestimmen, nutzt der Atmospheric Infrared Sounder auf dem Aqua-Satelliten, der im Jahr 2002 gestartet wurde, die Infrarot-Detektion.
Zur Bestimmung der Temperatur der Stratosphäre werden die Stratosphären-Geräte (SSU) verwendet, bei denen es sich um Infrarot-Radiometer (IR) mit drei Kanälen handelt. Aufgrund der Tatsache, dass bei dieser Methode die Infrarotemission von Kohlendioxid analysiert wird, ist die Opazität der Atmosphäre höher, und infolgedessen wird die Temperatur in einer höheren Höhe (Stratosphäre) erfasst als bei Mikrowellenmessungen.
Daten über die Temperatur der Stratosphäre über der unteren Stratosphäre werden seit 1979 von den Stratosphären-Sondierungseinheiten (SSUs) an Bord der operationellen Satelliten der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) gesammelt.
Um Messungen in drei Kanälen innerhalb des 15-µm-Kohlendioxid-Absorptionsbandes durchzuführen, ist das SSU ein Ferninfrarot-Spektrometer, das einen Druckmodulationsansatz verwendet. Es gibt einen Unterschied im Kohlendioxid-Zellendruck zwischen den drei Kanälen, aber die Frequenz ist die gleiche. Die entsprechenden Gewichtungsfunktionen erreichen ihren höchsten Punkt bei 29 Kilometern für Kanal 1, 37 Kilometern für Kanal 2 und 45 Kilometern für Kanal 3.
Das Verfahren zur Bestimmung von Trends aus den Messungen von SSUs hat sich aufgrund der Satellitendrift, der Interkalibrierung zwischen mehreren Satelliten mit begrenzter Überlappung und der Gaslecks in den Kohlendioxid-Druckzellen des Instruments als besonders herausfordernd erwiesen. Da die von SSUs aufgezeichneten Strahlungen durch die Freisetzung von Kohlendioxid verursacht werden, verschieben sich die Gewichtungsfunktionen mit zunehmender Kohlendioxidkonzentration in der Stratosphäre in größere Höhen.
Nach den gewaltigen Vulkanausbrüchen von El Chichón und dem Mount Pinatubo zeigen die Temperaturen in der mittleren bis hohen Stratosphäre einen deutlichen negativen Trend, der durch die vorübergehende vulkanische Erwärmung unterbrochen wird. Seit 1995 wurde nur sehr wenig Temperaturtrend festgestellt.
Die tropische Stratosphäre wies die größte Abkühlung auf, was mit einer beschleunigten Brewer-Dobson-Zirkulation übereinstimmt, die unter dem Einfluss eines Anstiegs der Konzentration von Treibhausgasen stattfand.
Die Auswirkungen des Ozonabbaus sind die Hauptursachen für die Abkühlung der unteren Stratosphäre, wobei ein weiterer wahrscheinlicher Beitrag von einer Zunahme der Menge an Wasserdampf und Treibhausgasen in der Stratosphäre der Atmosphäre kommt. Es gab einen leichten Rückgang der Temperaturen in der Stratosphäre, der von Erwärmungen unterbrochen wurde, die mit Vulkanausbrüchen in Verbindung gebracht werden. In der Vorstellung der globalen Erwärmung wird die Hypothese aufgestellt, dass sich die Stratosphäre abkühlen sollte, während sich die Troposphäre erwärmen sollte.
Dieses Verhalten der globalen stratosphärischen Temperatur wurde auf die Variation der globalen Ozonkonzentration in den zwei Jahren nach Vulkanausbrüchen zurückgeführt. Die langfristige Abkühlung in der unteren Stratosphäre erfolgte in zwei Abwärtsstufen der Temperatur, die beide nach der vorübergehenden Erwärmung stattfanden, die mit den explosiven Vulkanausbrüchen von El Chichón und dem Mount Pinatubo zusammenhing.
Obwohl es seit 1996 eine Abkühlungstendenz von 0,1 K/Dekade gab, war der Trend aufgrund der Erholung der Ozonschicht leicht positiv. Dieses Muster steht im Einklang mit den Auswirkungen, die durch den Anstieg der Treibhausgase projiziert werden.
Die folgende...
