EnMAP – Start frei für die Wissenschaft

Am 2. November 2022 hat die deutsche Umweltmission EnMAP ihre Testphase abgeschlossen und ist in den Routinebetrieb gestartet. Die Mission wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt.

Seit seinem Start vor sieben Monaten hat der deutsche Umweltsatellit EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) fleißig Daten gesammelt. Mehr als 11,4 Millionen Quadratkilometer unserer Erdoberfläche hat er aus circa 650 Kilometern Entfernung mit seinen 242 Spektralkanälen aufgenommen - eine Fläche größer als Europa. Doch diese Daten wurden noch nicht für die Wissenschaft erhoben. Sie wurden gebraucht, um das Hyperspectral Imager (HSI) Instrument optimal für den wissenschaftlichen Betrieb einzustellen und die Qualität der Daten zu überprüfen.

"EnMAP hat uns bereits in seiner sogenannten Kommissionierungsphase erstklassige Aufnahmen von herausragender Qualität von unserem Planeten geliefert. Wir freuen uns, dass wir diese Testphase im Oktober erfolgreich abschließen konnten und nun in den Routinebetrieb starten. Wir dürfen schon sehr darauf gespannt sein, welche neuen, spannenden Erkenntnisse die Wissenschaft in den kommenden Dekaden aus EnMAP-Daten für den Schutz unseres Planeten gewinnen wird. Denn sie können zum Beispiel dazu beitragen, die Erträge in der Landwirtschaft nachhaltig zu verbessern und damit die Ernährungssicherheit bei einer steigenden Weltbevölkerung sicherzustellen", betont Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstandsmitglied und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die die EnMAP-Mission im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) führt.

Während der Kommissionierung mussten die verschiedenen Komponenten des EnMAP-Satelliten sowie das HSI-Instrument verschiedene Tests durchlaufen. In dieser heiklen Phase konnte das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen (GSOC) durch seine langjährige Erfahrung zum erfolgreichen Verlauf der Kommissionierung beitragen und wird auch weiterhin für den Betrieb und - wenn nötig - rund um die Uhr für die Sicherheit des Satelliten im All zur Verfügung stehen. Empfangen werden die EnMAP-Daten vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) und dem Institut für Methodik der Fernerkundung in Oberpfaffenhofen, die auch alle Bilder im Rahmen der Kommissionierungsphase kalibriert, auf die Eigenschaften des Instrumentes im Orbit optimiert und gemeinsam mit dem GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) die Datenqualität so stetig verbessert haben. Denn die Daten, die der Satellit zur Erde schickt, sind für den Nutzer nicht direkt verwendbar. Nur wenn sie weiterverarbeitet, also kalibriert, mit Lage- und Positionsbestimmungen versehen sowie die Einflüsse der Atmosphäre korrigiert werden, können die Nutzer am Ende quantitative und qualitative Aussagen aus den Produkten ziehen.

Ab sofort können Forscherinnen und Forscher weltweit ihre Anfragen beim DLR einreichen. Auf archivierte Daten kann unmittelbar kostenfrei zugegriffen werden. Ein Konsortium unter Leitung der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und des GFZ prüft die Beobachtungsanträge, die aus den Bereichen Einflüsse des Klimawandels, Veränderungen der Landbedeckung und Oberflächenprozesse, Biodiversität und Ökosystem, Zugang zu Wasser und Wasserqualität, natürliche Ressourcen sowie Katastrophenmanagement kommen können. Auch für die "International Charter Space and Major Disasters" zur kurzfristigen Notfallunterstützung im Katastrophenfall wird EnMAP auf Anfrage wichtige Daten liefern und so die Rettungskräfte weltweit unterstützen. Besonders wichtig erachtet die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR die langfristige Überwachung von Umweltveränderungen. Daher wird diesem Themenkomplex ab Start der Routinephase der Mission Priorität bei der Auswahl zukünftiger Beobachtungen eingeräumt.

Auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft

Der Landwirtschaft kommt in unserer Gesellschaft eine bedeutende Rolle in den Bereichen der Nahrungsmittelversorgung, aber auch in der Baustoff- und Energieversorgung zu. Mit EnMAP eröffnen sich nun neue Möglichkeiten für die Präzisionslandwirtschaft und das landwirtschaftliche Monitoring. Denn seine spektral hochaufgelösten Daten enthalten wichtige Informationen über den Zustand und die Gesundheit von Nutzpflanzen. Am 28. Juli 2022 machte EnMAP bereits während der Kommissionierungsphase eine Aufnahme vom nördlichen Raum Münchens. Unter der Verwendung von effizienten Algorithmen und modernen Techniken des maschinellen Lernens konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Departments für Geographie an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) erstmalig biophysikalische und biochemische Pflanzeneigenschaften großflächig quantifizieren und kartieren. Durch eine wachsende Weltbevölkerung und gleichzeitig starke Umwelteinflüsse der Landwirtschaft, zum Beispiel die Emission klimawirksamer Gase betreffend, steigt die Nachfrage nach landwirtschaftlicher Produktion. Vor diesem Hintergrund können die neuen Informationen in landwirtschaftlichen Managementsystemen genutzt werden, um die Ressourceneffizienz und die Nachhaltigkeit der erforderlichen Ertragsoptimierung zu unterstützen.

Mit EnMAP "verräterischen Methanfahnen" auf der Spur

Die Produktion fossiler Brennstoffe - hauptsächlich Öl- und Gasförderung sowie Kohlebergbau - ist für große Teile der menschengemachten Methanemissionen verantwortlich. Sie treten häufig als "Methanfahnen" auf, die von punktförmigen Quellen ausgestoßen werden. Diese relativ kleinen Oberflächenelemente setzen verhältnismäßig große Gasmengen frei und hinterlassen damit eine verräterische Spur in der Atmosphäre. Erkennt man diese Spur schnell, dann kann man die Ursache rasch entfernen und damit die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre bedeutend verringern. Mit weltraumgestützten, bildgebenden Spektrometern wie EnMAP lassen sich diese Methanemissionen am besten weltweit und flächendeckend überwachen. Das Potenzial der deutschen Umweltmission zur Kartierung dieser Methanfahnen wurde durch erste Messungen in der Kommissionierungsphase bereits bestätigt. Bei diesen Aufnahmen wurden Öl- und Gasförderbecken im südlichen Teil Turkmenistans von EnMAP am 6. Oktober 2022 erfasst. Gleich mehrere aktive Methan-Punktquellen in dieser Region haben Forscherinnen und Forscher vom Research Institute of Water and Environmental Engineering (IIAMA) der Universitat Politècnica de València anhand abgeleiteter EnMAP-Karten zur Erhöhung der Methankonzentration entdeckt.

Einblicke in die Geologie des größten Erosionskraters der Welt

In der israelischen Wüste Negev liegt der größte, durch natürliche Erosion entstandene Krater der Welt - das Makhtesh-Ramon-Basin. In den letzten 220 Millionen Jahren hat sich das weichere Gestein wie beispielsweise Sandstein aus den Flächen härterer Sorten wie Kalkstein und Dolomit herausgewaschen, weggeschwemmt und einen einzigartigen Krater geschaffen. Dieser Nationalpark, der zu den trockensten Gegenden auf unserem Planeten gehört, ist ein Sammelbecken für Fossilien, urzeitliche Vulkankegel, Magmaspalten und -kammern sowie versteinerte Korallenriffe - aber vor allem für Mineralien, die in größter Vielfalt und Fülle dort im Gestein einlagern. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler interessieren sich besonders für diese geologische Einheiten einschließlich Sandstein, eisenoxidreiche Gesteine, Gips, Kalkstein, Dolomit, Tonminerale - wie das Schichtsilikat Kaolinit - und bereits tief in der Erde abgekühlte (plutonisch), kristalline Gesteinseinheiten. Mit dem bloßen Auge sind der Sandstein und die an die Oberfläche "gewanderten", plutonisch kristallinen Gesteinseinheiten zwar sichtbar. Doch was verbirgt sich darunter? Welche Mengen an Gestein und Mineralien lagern dort im Felsen? Und wie sind diese Einheiten verteilt? Diesen Fragen ist EnMAP zusammen mit Forschenden des Remote Sensing Laboratory der Universität Tel-Aviv auf den Grund gegangen.

Deren Daten aus der Kommissionierungsphase des Satelliten, die vom DLR-Bodensegment prozessiert, bereitgestellt und mit dem GFZ zusammen aufbereitet wurden, geben einen guten Vorgeschmack auf die hohe Qualität der Daten, die wir während der Betriebsphase erwarten können. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten sehr genau zwischen verschiedenen Gesteinsarten (zum Beispiel Dolomit oder Kalkstein) und Mineralien (wie Tone, Sulfate) sowie Variationen innerhalb von Mineralarten aus einem Streifen von vierzig mal sieben Kilometern unterscheiden und sich ein gutes Bild von der Menge und Verteilung der kartierten Einheiten im Vergleich zu flugzeug- und bodengestützten Daten machen - Wissen, dass ohne hyperspektrale EnMAP-Bilder aus dem All gar nicht möglich wäre.

Wasserqualität im Bodensee vom All aus überwachen

Als größtes Wasserreservoir Europas spendet der Bodensee Millionen von Menschen Trinkwasser. Doch in den Monaten Juli und August 2022 erreichte der See einen traurigen Tiefststand: Bedingt durch eine lange Trockenheit in Zeiten des Klimawandels wurde am 9. August 2022 ein sehr niedriger Wasserstand von nur 3,05 Metern in Konstanz gemeldet - nur vier Zentimeter über dem saisonalen Rekord. Die Folge: Je flacher das Wasser, desto schneller erwärmt es sich. Daraufhin wurden an einigen Stellen Sedimente an die Wasseroberfläche gespült und es bildeten sich grüne Algenteppiche in riesigem Ausmaß.

Diese Teppiche wachsen besonders schnell, wo es viele Nährstoffe gibt und das Wasser warm ist. Um einen Überblick über das exzessive Algenwachstum zu bekommen, hat EnMAP am 1. August 2022 in der Kommissionierungsphase den Bodensee und seine Chlorophyll-a-Konzentration aus dem All unter die Lupe genommen. Die vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) ausgewerteten Daten dieses wichtigen Pflanzenfarbstoffs geben Aufschluss über die Photosynthese und damit über das Wachstum der Algen. Die satellitengestützten Datensätze zur Verbreitung und Produktivität verschiedener Phytoplanktongruppen sind äußerst wertvoll für die Überwachung der Wasserqualität von Binnengewässern und deren Nutzung als Wasser- und Nahrungsquelle sowie als Naherholungsgebiet.

EnMAP - die deutsche Umweltmission und ihre Partner

Die Umweltmission EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt. Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten sowie des Hyperspektralinstrumentes wurde die OHB-System AG beauftragt. Die Mission steht unter der wissenschaftlichen Leitung des GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ).

Mit dem Aufbau und dem Betrieb des Bodensegments sind drei Institute und Einrichtungen des DLR beauftragt worden: Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen führt den Satellitenbetrieb durch und überwacht ihn. Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum und das Institut für Methodik der Fernerkundung empfangen, kalibrieren und prozessieren, archivieren und machen die Satellitendaten der Wissenschaft zugänglich. Auch Firmen und Behörden werden die Daten verwenden und damit künftige Services vorbereiten. Die zukünftige Nutzung der EnMAP-Hyperspektraldaten durch Universitäten und wissenschaftliche Einrichtungen und die Entwicklung von speziellen Anwendungen werden durch BMWK-Förderprogramme unterstützt.

Weitere Infos auf www.dlr.de/enmap und www.enmap.org