Naturkatastrophen - IRS

Einsatz von Satelliten bei Naturkatastrophen
Dr. Maria von Schönermark
Raumfahrt aus Leidenschaft, 08. 11. 2005
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INSTITUT FÜR
FÜR RAUMFAHRTSYSTEME
RAUMFAHRTSYSTEME
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Naturkatastrophen:
Naturkatastrophen werden im wesentlichen ausgelöst durch
Naturereignisse geologischen oder meteorologischen Ursprungs, auch
biologische Extremereignisse (Heuschreckenplage) werden zur
Naturkatastrophen gerechnet.
• Berichte dazu werden häufiger (FE-Daten + Kommunikation tragen dazu
bei!).
• Es sind mehr Menschen betroffen (Zunahme der Bevölkerung,
Urlaubsparadiese).
• Ursachen für meteorologische Naturkatastrophen werden kontrovers
diskutiert.
Daneben gibt es Katastrophen, die durch menschliche Aktivitäten bedingt
sind, die aber auch das Leben von Menschen und den Fortbestand der
Natur gefährden (Industriedesaster, Tankerhavarien).
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Ereignis
Vorhersage
Monitoring
Ermittelbare
Fernerkundungsparameter
Erdbeben
-
✔
Zerstörungsgrad, Höhenveränderungen
Vulkanausbrüche
(✔)
✔
SO2, Eruptionswolken, Deformationen,
Aufwölbungen, Oberflächentopographie,
Lava- und Schlammströme
„Stürme“
✔
✔
Wolkenbedeckung, Luftdruck,
Niederschlag, Windfelder
Überflutung
✔
✔
Niederschlag, Bodenfeuchte, Wind,
Überflutungsflächen
Wildfeuer
-
✔
Feuertemperaturen, Wind, verbrannte
Fläche
Dürre +
Massenschädlinge
✔
✔
Bodenfeuchte, Vegetationszustand,
Bodentemperatur,
Klimafaktoren
Erdrutschungen
✔
✔
Niederschlag, Bodenfeuchte, digitale
Geländemodelle,
Zustandsveränderungen
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Vorhersage
durch
Fachdisziplinen
und
mit
z.
T.
bodengebundenen
Messungen
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Meteorologisches operationelles Satellitensystem
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5 Satelliten im geostationären Orbit
sind ausreichend, die Erde von -60° bis
+60° zu überwachen, Wiederholrate:
15 – 30 min, grobe Bodenauflösung
Satelliten
LEO
GEO
polumlaufende operationelle
meteorologische Satelliten.
Wiederholrate je Sat. 1 x pro
Tag, feinere Bodenauflösung,
Beobachtung der Pole
polumlaufende Forschungssatelliten od. kommerzielle Satelliten liefern bedeutende
Zusatzinformation, messen auf Anforderung; Vorteil: feinere Bodenauflösung,
Erkennung von Details, Nachteil: Wiederholrate etwa 1 x pro Tag
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GPS (Global Positioning
System):
Krisenmanagement
Lokalisierung von
Einsatzfahrzeugen bei
Katastrophenhilfe
MEO
Banda Aceh
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ERDBEBEN:
• Aufnahme der Schäden
(Zerstörungsgrad,
Höhenveränderung)
• Folgeschäden
verhindern
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SPOT HRVIR, Erdbeben Türkei 17.08.99 Izmet (vor: 25.7.1999, nach: 4.10.1999)
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Kaya, Curran, Llewellyn;
Int. J. Remote Sensing
26,13,2005,2731-2740
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Erdbeben in
Pakistan
Ausbildung von
Schlammfluten
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Int. J. Remote Sensing 26,13,2005 2705-2713
A.K.Saraf, S. Choudhury
Ausblick auf eine evtl. Warnung?
Afrika
Satelliten haben (zumindest
teilweise)
Bodentemperaturanomalien vor
Erdbeben entdeckt!
Beispiel hier: Erdbeben in
Algerien (Boumerdes)
Sensor: NOAA-AVHRR
(polumlaufender operationeller
meteorologischer Satellit)
Berechnung der
Oberflächentemperatur des
Bodens
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InSAR: Interferometric Synthetic Aperture Radar: geodätische Kamera
Stärke der
Amplitude des
rückgestreuten
Signals
kohärente
Strahlungsquelle
Für C-band ~5.66cm Wellenlänge: Interferogramm
aus Kombination zweier Bilder
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Phaseninformation über
ausgesandte und
rückkehrende Welle
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Ausblick auf Warnung?
Erdbeben Türkei 1999, Radar Interferogramm
Jeder farbige
InterferenzFringe
entspricht
einer
Versetzung
von 28 mm
Forschungsmöglichkeit
(ERS-2: Zwei
Überflüge mit
einer
Zeitdifferenz
von 35
Tagen, vor
und nach
dem
Erdbeben)
Fläche
gegen
Punkt
Modellierung
T.J. Wright,
Phil.Trans.R.Soc.
Lond. A (2002),360
Wahrscheinlichkeitsvorhersage
Vulkane
1. Abschätzung der
Wahrscheinlichkeit
eines Ausbruchs =
Warnung
2. Überwachung zur
Minderung der
Folgeschäden
Mt. Bromo 9.6.04
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die 4 wichtigsten Vorläufer von
Vulkaneruptionen
➱ Warnung
etwa 200
Vulkane
werden
ständig
überwacht
Geophysik
thermische
Sondierung
Quelle: E.J. Plate;
B. Merz (Herausg.)
Naturkatastrophen, Stuttgart 2001
ISBN 3-510-65195-2
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Radarinterferometrie
zur Entdeckung von
Deformationen im
cm-Bereich
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Entgasung
GOES:
Geostationary
Operational
Environmental
Satellite
polumlaufend,
High
Resolution
Sounder, 1997
METEOSAT
Second
Generation
2002, 2005
Advanced
Baseline
Imager
(GOES-R, 2012)
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Beispiel: Grímsvötn ,
Island, 64,42 N/17.33W, 1. November,
18 UTC, 2004
Anschließend SO2-Verteilung ausgehend
von Island; Beginn am 30.10!
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SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for
Atmospheric CHartographY (SCIAMACHY) auf ENVISAT
Grímsvötn
misst die zurück
gestreute UVStrahlung zur
Bestimmung von
SO2
1DU entspricht einer Schichtdicke von 0,01mm unter
Normaldruck und 0°C (DU = Dobson Unit)
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Thermische Detektion von Vulkanen und des Lavaflusses
Erdoberfläche: 15°C ➱ Überwachung von Vulkanen
Lavatemperatur: 1000 °C ➱ Beobachtung des Lavaflusses
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Thermische
Überwachung
von Vulkanen
Beispiel: Krater auf Nisyros
Überwachung mit LANDSAT ETM+ und
ASTER
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SAR Interferometrie
Beispiel: Ätna
Veränderung zwischen 21.11.93 und 28.01.1998
Feb. 98
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nach Ausbruch eines Vulkans
➱ Monitoring und Begrenzung von Folgeschäden
1. Verfolgung des Lavaflusses (Geschwindigkeiten bis mehr als
10km/h!)
2. Detektion von und Warnung vor Aschewolken
3. Detektion von Laharen
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1.Entwicklung
Entwicklung
des
Lavaflusses
des
Lava-Flusses
Thermische Nachtaufnahme (ASTER )
13.05.00
22.05.00
Hawaii, Kilauea
ASTER:
Advanced
spaceborne
thermal and
reflection
radiometer
30.06.00
schwarz
blau
rot
gelb
weiss
T
01.08.00
01.01.01
2. Vulkanische Aschewolken
Vulkan Redoubt, Alaska 15.12.1989
• Warnung der Bevölkerung
• Evakuierung, Gefahr für
Luftverkehr
geostationäre Satelliten:
Monitoring aller 15 bis 30 min
polumlaufende operationelle
Satelliten:
Globale Bedeckung
AVHRR
Boeing 747- 400
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Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS),
sichtbarer Bereich, 14.Januar 2004, Kamtschatka
Aschefahne
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meteorologischer polumlaufender Satellit
NOAA AVHRR: 02. November 2004, 16:11 UTC
Helligkeitstemperaturen (Messung im thermischen Bereich)
Aschenfahne: Ausdehnung: etwa 170 km in der Länge, 20 km in der Breite,
etwa 13 km Höhe ➱Umleitung des Flugverkehrs bzw. Stornierung
kalt, weil in großer Höhe
Grímsvötn, Island
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Zurzeit Entwicklung von Verfahren zur automatischen Detektion von
Aschewolken für alle operationellen Satelliten (Unterscheidung
Wasser- und Eiswolken von Aschewolken)
⋆
Eigenschaften von
Aschewolken: hohe Absorption
zwischen 8 und 11 µm
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Verwendung der spektralen Reflexion
(über Wasser)
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3. Warnung vor Schlammströmen!
Lahar: indonesisches Wort für Schlammflut
vulkanischen Ursprungs
Armero, Columbia,nach dem Ausbruch des
Nevado del Ruiz, Nov.1985
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• während eines Ausbruchs
durch schmelzenden Schnee
und Eis/Permafrost
• nach einem Ausbruch durch
heftigen Regen oder
Ausfließen von Krater- oder
Gebirgsseen
• Gerölllawinen an Vulkanen
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Mt.
Pinatubo
Asche
PasingProtrero,
Lahars
Sommermonsuneinfluss!
LHH –
rot
LHV –
grün
CHV blau
April 14,1994
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SIR-C/X-SAR, Shuttle
Oct. 5, 1994
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SIR-C/XSAR 1994,
April und
September
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LANDSAT, Jan.01,
Pinatubo
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Falschfarbenbild
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Massenbewegungen, Landslides, Felsgleitungen
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Landslides, Rockslides,
Massenbewegungen
FE
Quelle: E.J. Plate;
B.Merz (Herausg.)
Naturkatastrophen,
Stuttgart 2001
ISBN 3-510-65195-2
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Beispiel: Hope - Slide, British Columbia
Interferogramm+Radarbild
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Interferometrisches DEM
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Frank Slide, Alberta
Interferogramm RADARSAT
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FEUER
Ölbrände
in Kuwait
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Feuer in Afrika , Juni 2004, MOPITT
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FEUER
•Vegetationsbrände: 500 K (Schwelbrand)
bis 1200K (großer Flammenbrand)
•Ölbrände
≥ 650 K
------------------------------------------------------------------------------------------------------------Für Folgenabschätzung der Brände werden andere Spektralbereiche genutzt:
•
Größe der verbrannten Fläche: Satellitendaten im VIS/NIR
•
Belastung der Atmosphäre: a) aus Feuertemperatur b) Spektroradiometer auf
Satelliten
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Feuerdetektion ohne
Temperaturbestimmung
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Image Acquired: January 20,
2005 , MODIS(Aqua), Feuer in
Südostasien (Kambodscha,
Thailand, Vietnam)
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Image Acquired: January 23, 2005, Mopitt auf Terra, Korrelationsspektrometer,
Konzentration in ~ 700 hPa ( 3 km)
Normalwerte liegen im blauen Bereich
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Tropische Wirbelstürme: Warnung und
Vorhersage mittels Satellitenbildern!
(Zugbahnwahrscheinlichkeit)
Hurrikan
oder Taifun:
v ≥119 km/h
v ≥33 m/s
SaffirSimpson 5
pk< 920 hPa
v >249 km/h
Flutwelle: >
5,5 m
Wilma hatte
882 hPa !!!!!
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Worldwide
Tropical Cyclone
Names
Atlantic Names
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2005
2006
2007
2008
2009
2010
Arlene
Bret
Cindy
Dennis
Emily
Franklin
Gert
Harvey
Irene
Jose
Katrina
Lee
Maria
Nate
Ophelia
Philippe
Rita
Stan
Tammy
Vince
Wilma
Alberto
Beryl
Chris
Debby
Ernesto
Florence
Gordon
Helene
Isaac
Joyce
Kirk
Leslie
Michael
Nadine
Oscar
Patty
Rafael
Sandy
Tony
Valerie
William
Andrea
Barry
Chantal
Dean
Erin
Felix
Gabrielle
Humberto
Ingrid
Jerry
Karen
Lorenzo
Melissa
Noel
Olga
Pablo
Rebekah
Sebastien
Tanya
Van
Wendy
Arthur
Bertha
Cristobal
Dolly
Edouard
Fay
Gustav
Hanna
Ike
Josephine
Kyle
Laura
Marco
Nana
Omar
Paloma
Rene
Sally
Teddy
Vicky
Wilfred
Ana
Bill
Claudette
Danny
Erika
Fred
Grace
Henri
Ida
Joaquin
Kate
Larry
Mindy
Nicholas
Odette
Peter
Rose
Sam
Teresa
Victor
Wanda
Alex
Bonnie
Colin
Danielle
Earl
Fiona
Gaston
Hermine
Igor
Julia
Karl
Lisa
Matthew
Nicole
Otto
Paula
Richard
Shary
Tomas
Virginie
Walter
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Entstehungsbedingungen:
1. Entwicklung aus einer bestehenden Störung (Gewitter)
in geographischen Breiten > 5° (nördlicher + südlicher Breite)
(African) easterly waves
Fronten
ITZ-Gewitter
➱ detektierbar aus
dem
Satellitenbild
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Entstehungsbedingungen
2.
Ozeantemperatur
>26°C
➱ aus
Satellitendaten
(TIR)
ermittelbar
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Entstehungsbedingungen
3. keine wesentliche vertikale Änderung des Windvektors mit der Höhe
(Windscherung)
aus Satellitendaten kaum
schätzbar
4. bedingte Stabilität
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Hurrikan Wilma
Entwicklung vom
15.Okt. (tropischer
Sturm) bis 24. Oktober
15.10.:Entwicklung
eines tropischen
Tiefdruckgebietes
17.10.:Tropischer
Sturm
18.10.:Hurricane
19.10.: Ausbildung des
Auges (2,7 bis 3,7km)
242 km/h, 982 hPa
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Vorhersage, Warnung ist möglich
•Geostationäre Satelliten geben aller 15 min ein Bild ! ➱ Hurricane-Hunters
•Längerfristige Vorhersage: Zugbahnenanalyse (noch unsicher)
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TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission): NASA +JAXA, 1997 – 2005+
•
•
•
•
•
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Precipitation Radar
TRMM Microwave Imager
Visible Infrared Radiometer
Cloud and Earth Radiance Energy Sensor
Lightning Imaging Sensor
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Florida
TRMM:
Tropical Rainfall
Measuring
Mission
PR-Precipitation
Radar
TMI-Multi-frequency
Microwave
radiometer
Mittel 1961-90
Link to image of WILMA rain October 2005
Mexiko
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Wilma, 16.Oktober 2005, 11 Uhr nachts, Klassifikation: Tropischer Sturm
48 Stunden später: Hurricane 5
zukünftige
Verbesserung
der
Vorhersage?
TemperaturMessung mit
Mikrowellenradiometern
von TRMM
nur von Satelliten aus!
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intensive
Verstärkung
(rote Türme
bis 16 km
Höhe!)
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Windmessung
Florida
Quicksat, 21.10. 05
Messung der
Rückstreuung des
Radarsignals von der
Ozeanoberfläche →
Rückschluss auf Wind
Wilma (hier Hurricane
category 4)
(1 kn =1,852 km/h →
45 kn≈82km/h)
Mexiko
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Überflutungen
durch Flüsse
Dezember 1993 (Benelux-Staaten, Deutschland, Großbritannien): 14
Tote, eine Mrd. Euro Schaden
November 1994 (Norditalien): 64 Tote, 10.000 Obdachlose, 10 Mrd. Euro
Schaden
Januar 1995 (Benelux-Staaten, Frankreich, Deutschland): 28 Tote, 250.000
Menschen evakuiert, drei Mrd. Euro Schaden
Sommer 1997 (Mitteleuropa): über 100 Tote, 215.000 Evakuierte, 3 Mrd. Euro
Schaden
August 2002 (Mitteleuropa): über 100 Todesopfer, in Deutschland 9,2 Mrd., in
Österreich 2,9 Mrd., in der Tschechischen Republik 2,3 Mrd. und in
Frankreich 0,8 Mrd. Euro Schaden.
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Hochwasser durch Flüsse infolge Niederschlag oder Schneeschmelze
Ursache: Boden kann die Feuchte nicht mehr aufnehmen
Einflüsse:
• Bodenversiegelung
• Uferbegradigungen, Fehlen der natürlichen Überschwemmungsgebiete
• Bodenverdichtung: Fruchtfolge, Düngung, schwere Maschinen
• Abholzung, gezielte Rodung
• Überweidung
• Deiche bei stark Sediment mit sich führenden Flüssen können u. U. das Flussbett
erhöhen (Beisp.: Huang He)
Warnung: Niederschlagsvorhersage (METEOSAT,..,) Hydrologische Modelle,
Schneemonitoring und Schneeschmelzvorhersage
Monitoring: VIS, RADAR
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Vorrangig: Verbesserung der
Niederschlagsvorhersage
Global Precipitation Mission
GMI
Flight direction
Surface Track
Speed = 7.2 km/s
DPR
Range resolution
Range resolution= =250m
250 m
35.5GHz radar
13.6GHz radar
swath width=
swath width=245km
100km-
Microwave radiometer
swath width =800km
=~850km
5km
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Test eines neuen
Messvorschlages zur
Bestimmung der
Regenrate vom
Satelliten mit dem
Flying Laptop des IRS
• Messung im Target Pointing Mode
• Verwendung von Ka- und Ku-Band
• Bestimmung der differentiellen
Schwächung
→ Vorläufer für die Global Precipitation
Mission (GPM)
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ELBE 2002
Zustandsaufnahme: Hochwassermaximum
SPOT-4
LANDSAT-7
ASAR
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Elbe-Hochwasser 2002
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© Space Imaging, http://spaceimaging.com
Dresden
IKONOS
1m Auflösung
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VatnajökullEruption in
Südisland
Thermalkanal
der NOAAAVHRR Daten
vom
12.Oktober
1996
Eruptionswolke
mit -25°C in 7
bis 8 km Höhe
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TRMM, GPM
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