Womit arbeitet Fernerkundung?

Die Fernerkundung arbeitet mit Sonnenlicht, das von der Erdoberfläche zurückgeworfen wird. Sensoren nehmen dieses Licht auf und speichern es ab. Doch wie funktioniert das? Man bezeichnet das Licht der Sonne oft als Sonnenstrahlen. Eigentlich ist das nicht ganz richtig. Aufgrund von besonderen Eigenschaften müsste man es eher als "Sonnenwellen" bezeichnen.

Aufnahme von Sonnenlicht durch einen Satelliten

Sonnenlicht wird von der Erdoberfläche reflektiert und vom Satellitensensor aufgenommen.

 

Aber was genau sind eigentlich Wellen? Eine Welle kann man sich als eine sich bewegende Schwingung vorstellen, die Energie transportiert. Wirft man beispielsweise einen Stein ins Wasser, so entstehen Wasserwellen. Eine andere bekannte Form von Wellen sind die beim Sprechen entstehenden Schallwellen.
Das Sonnenlicht ist eine sogenannte elektromagnetische Welle. Dabei handelt es sich um gekoppelte elektrische und magnetische Felder.
Handelt es sich bei elektromagnetischen Wellen nun um den gleichen Wellentyp wie Wasserwellen?

 

Wellentypen

Nein, Schallwellen und elektromagnetische Wellen sind zwei verschiedene Arten von Wellen. Bei Schallwellen handelt es sich um Longitudinalwellen. Das sind Wellen, deren Schwingungen die gleiche Richtung besitzen wie die Ausbreitungsrichtung der Welle (Abb.). Das geht nur in einem Medium wie beispielsweise Wasser oder Luft. Die Schwingung von elektromagnetischen Wellen hingegen erfolgt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Diese Art Wellen sind die sogenannten Transversalwellen. Sie sind an kein Medium gebunden und können sich nahezu frei im Raum bewegen (Abb.).

 

Vergleich Longitudinal- und Transversalwelle


Longitudinalwelle und Transversalwelle im Vergleich - die Schwingungsrichtung macht den Unterschied!


Wellenlänge, Amplitude und Frequenz

Die untere Abbildung zeigt die wichtigsten Charakteristika einer elektromagnetischen Welle. Hierzu gehören der Wellenberg und das Wellental. Diese beiden Schwingungszustände, auch Phasen genannt, wiederholen sich in regelmäßigen Abständen. Der kleinste Abstand zwischen zwei Punkten gleicher Phase, beispielsweise von einem Wellental zum folgenden Wellental, wird Wellenlänge genannt. Der maximale Ausschlag einer elektromagnetischen Welle nennt man Amplitude.

Eigenschaften von Wellen

 Eigenschaften einer elektromagnetischen Welle.

 

Die Häufigkeit von Wellentälern und Wellenkämmen pro Zeiteinheit wird als Frequenz bezeichnet. Generell gilt: Je kleiner die Wellenlänge, desto höher ist die Frequenz und damit die Energie einer elektromagnetischen Welle.

 

Wellenlängen und Frequenzen

Elektromagnetische Wellen mit hohen und niedrigen Frequenzen.

 

Elektromagnetisches Spektrum

In der Natur gibt es neben dem Sonnenlicht noch andere Arten von elektromagnetischen Wellen, wie z.B. die Radio- und Mikrowellen. Auch die sogenannte Gamma-, Röntgen- und Wärmestrahlung zählen hierzu. All diese Wellen kann man in das elektromagnetische Spektrum nach der Größe ihrer Wellenlängen einordnen. Radiowellen haben z.B. größere Wellenlängen als Mikrowellen.

 

 Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum von links nach rechts aufsteigend von kleinen zu großen Wellenlängen geordnet.

 

Die obere Abbildung zeigt die unterschiedlichen Wellen des elektromagnetischen Spektrums von links nach rechts aufsteigend von kleinen zu großen Wellenlängen. Ganz links im Spektrum befinden sich die kurzwelligen und energiereichen Gammastrahlen. Sie sind für den Menschen gefährlich. In der Mitte sieht man das sichtbare Licht und ganz rechts die langwelligen Radiowellen. Die Wellenlängen reichen von der Größe eines Atoms (mehrere Milliardstel Millimeter) bis hin zu der einer Großstadt (mehrere Kilometer).

 

Wenn man die Wellenlänge des uns bekannten Lichts mit dem Durchmesser eines Haares vergleicht, so müsste man ein Haar ca. 100 mal spalten, damit es so groß wie die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist.

 

Polarisation

Die Polarisation einer elektromagnetischen Welle beschreibt die Richtung ihrer Schwingung. Unpolarisierte Wellen ändern ihre Schwingungsrichtung permanent. Die Schwingungsrichtung horizontal polarisierter Wellen verläuft parallel, die vertikal polarisierter Wellen dagegen senkrecht zur Erdoberfläche.

 

 


In der Animation sieht man horizontal und vertikal polarisierte elektromagnetische Wellen.


 

Die Polarisation von elektromagnetischen Wellen spielt vor allen Dingen bei aktiven Fernerkundungssystemen, wie Radaren, eine sehr wichtige Rolle. Einige dieser Systeme sind in der Lage horizontal polarisierte Wellen auszusenden, diese dann aber vertikal polarisiert zu empfangen. Dadurch ergeben sich beim Senden und Empfangen vier Polarisationsmöglichkeiten (HH, HV, VH, VV), die unterschiedliche Erkenntnisse über den Zustand der Erdoberfläche liefern.

 


Fazit:

Die meisten Aufnahmesysteme der Fernerkundung arbeiten mit Sonnenlicht. Licht ist eine elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen lassen sich durch ihre Wellenlänge, ihre Frequenz und ihre Amplitude beschreiben. Es gibt aber auch Aufnahmesysteme der Fernerkundung, die mit Mikrowellen arbeiten. Sie heißen Radarsysteme. Mikrowellen kann man unterschiedlich polarisieren, um zusätzliche Informationen über die Erdoberfläche  zu erhalten.