EarthCARE Nutzlast

EarthCARE wird mit vier Instrumenten ausgestattet sein, welche auf einer gemeinsamen Plattform installiert und gegeneinander hochgenau ausgerichtet sind: Das Atmospheric Lidar ATLID, das Cloud-Profiling Radar CPR, ein Multispektral Imager MSI sowie ein Breitband Radiometer BBR. Die jeweilige Beobachtungsfelder mit der entsprechenden Geometrie sind in der Abbildung unten dargestellt.

EarthCARE Systemüberblick und Geometrie

Was misst EarthCARE?

Mit Hilfe der vier Instrumente auf EarthCARE lässt sich die vertikale Struktur der Atmosphäre genauestens charakterisieren. Prozesse der Aerosol-Wolkenwechselwirkung sowie die Strahlungsschließung sind dabei nur zwei der wissenschaftlichen Fragestellungen.

Instrumenten Überblick

Ein besonderes Merkmal des EarthCARE Satelliten ist, dass alle vier sich an Bord befindlichen Instrumente gleichermaßen zur Mission beitragen. Beim Entwurf des Satelliten war eine wesentliche Anforderung, dass alle Instrumente zueinander ausgesprochen genau ausgerichtet werden sollten. Dies ermöglicht im Flug die positionsgetreue Aufnahme von Wolkenformationen und erhöht somit deutlich die Genauigkeit der gewünschten wissenschaftlichen Vorhersagen. Der Missionszweck machte es darüber hinaus notwendig neben zwei passiven Kameras (BBR und MSI) auch zwei aktive Instrumente zu implementieren – einen Laser (ATLID) und einen Radar (CPR).

Das Atmospheric LIDar (ATLID) ist ein linear polarisiertes High Spectral Resolution Lidar (HSRL) welches Aerosole, Wolken und Niederschläge charakterisieren soll. Dabei lässt sich mit dem HSRL-Filter zwischen Molekularer- und Partikelrückstreuung unterscheiden, was wiederum über die Partikelextinktion eine direkte Messung der optischen Dicke von Partikeln ermöglicht. Der Transmitter von ATLID besteht aus einem Nd:YAG (neodymium-doped yttrium aluminum garnet) Frequenz-Triplet Laser, welcher bei 38 mJ Pulse von 51 Hz mit einer Wellenlänge von 355 nm transmittiert. Daraus ergibt sich eine horizontale Auflösung von 285 m zwischen zwei Pulsen mit einem Fußabdruck am Boden des Instruments von ca. 30 m. Wobei der Blickwinkel um 3° off-nadir eingestellt ist um Spiegelreflexionen an Eiskristallen zu vermeiden. Der Empfänger besteht aus einem 620 mm Teleskop mit einem Blickwinkel von 65 rad welches das Rückstreusignal in drei Kanäle unterteilt: Den Mie-Kanal, welcher die Co-polarisation von Aerosolen und Wolken empfängt; einen Co-polaren Rayleigh-Kanal für Molekulare Rückstreuung; sowie einen Kanal welcher das gesamte Rückstreusignal empfängt.

Das CPR arbeitet mit einer Frequenz von 94 GHz und soll mit Hilfe des Doppler-Signals von -10 bis 10 ms-1 die vertikal aufgelöste Wolkenstrukturen und -zirkulation darstellen. Das Instrument schaut im Nadir-Winkel mit einem Ausbreitungswinkel von 0.095°, woraus sich ein Fußabdruck von etwa 660 m ergibt. Das Radar transmittiert überlappende EIK Pulse von 3.3 s mit einer Wiederholfrequenz von 6100-7500 Hz. Die sich daraus ergebende Auflösung des Instruments beläuft sich auf 500m sowohl horizontal als auch vertikal.

Der MultiSpectral Imager (MSI) wird infrarote und reflektierte Strahlung in sieben verschiedenen Spektralen Banden messen. Dadurch wird es entlang des Flugweges die Messungen von ATLID und CPR mit zusätzlichen Informationen von Aerosol- und

Wolkencharakteristiken komplementieren. Dies wir durch zwei Kameras ermöglicht, welche solare und thermische Infrarotstrahlung (TIR), sowie sichtbare, mittlere und kurze Infrarotstrahlung (VNS) detektieren. Damit die Messungen nicht von direkter Sonneneinstrahlung beeinflusst werden ist der Beobachtungsbereich nicht symmetrisch über dem Flugweg, sondern 115 km rechts bis 35 km links davon. Die absolute Messgenauigkeit beläuft sich dabei auf etwa 5 – 10%.

Das BroadBand Radiometer (BBR) wird die gesamte solare Rückstreuung sowie terrestrische Strahlung messen. Bei dem Instrument handelt es sich um ein Imaging Radiometer mit drei Teleskopen mit unterschiedlich fixierten Beobachtungswinkeln. Jedes dieser Teleskope hat ein 10 km breites Blickfeld mit einem gesamten Fußabdruck von ca. 30 x 1-1,5 km. Dieser Messaufbau erlaubt die Rückführung der Signale auf unterschiedliche Höhen zwischen dem Satelliten und dem Erdboden, was wiederum eine Strahlungsflussberechnung ermöglicht. Die Erdoberfläche wird im spektralen kurzwelligen Bereich zwischen 0,3 und 4,0 Mikrons und im langwelligen Bereich zwischen 4 und 30 Mikrons gescannt. Durch die direkte Messung des totalen und des kurzwelligen Spektrums lässt sich aus der Differenz der langwellige Anteil ermitteln. Die Ergebnisse werden anschließend auf ein 10x10km Gitter gebracht, wofür ein Fehler von 1 % für jedes Band angenommen wird.