Das Erzeugen scharfer Bilder aus dem All mit langwelligen elektromagnetischen Wellen stellt eine bedeutende technische Herausforderung dar. SAR, oder Synthetic Aperture Radar, ist eine Technologie, die es ermöglicht, die scheinbaren Grenzen der Physik zu überwinden. In diesem Video erfahrt ihr, wie SAR funktioniert und wie es physikalische Prinzipien nutzt, um physikalische Einschränkungen zu umgehen
Satellitenbilder zeigen die Schönheit der Erde, ermöglichen neue Erkenntnisse in der Forschung und liefern wichtige Daten für zahlreiche Anwendungsbereiche. Doch was kann man auf ihnen wohl am häufigsten beobachten? Die Antwort: Wolken, Wolken und nochmals Wolken. Eine zeitlich lückenlose Beobachtung der Vorgänge auf der Erdoberfläche vom Weltall aus wird so natürlich erschwert. Doch es gibt Satelliten und Sensoren, für die Wolken kein Problem darstellen und die eine ganze Reihe von Eigenschaften haben, die sie zu wichtigen Werkzeugen für die Beobachtung unseres Planeten machen – die Radarsatelliten.
Licht wird von glatten Oberflächen in eine bestimmte Richtung reflektiert, während raue Oberflächen es in viele Richtungen streuen. Dieses Prinzip nutzen Radarsatelliten zur Erdbeobachtung. Sie senden Mikrowellen zur Erde und analysieren die zurückkehrenden Signale, um verschiedene Oberflächenarten zu identifizieren. Glatte Oberflächen erscheinen anders auf den Radaraufnahmen als raue. Durch die Analyse dieser Unterschiede können Wissenschaftler wichtige Informationen über die Erdoberfläche gewinnen. Bleibt dran, um mehr zu erfahren!
Satellitenbilder zeigen unseren Planeten aus neuen Blickwinkeln und in den ungewöhnlichsten Farben. Doch sie sehen nicht nur schön aus! Mit ihrer Hilfe werden vor allem Informationen gesammelt deren Analyse zum Verständnis des Systems Erde und des Wandels in dem es sich befindet einen unschätzbaren Beitrag leisten.
Doch wie geschieht das? Wie sehen diese stillen Beobachter, die Satelliten, aus? Welche Daten liefern sie und wie helfen sie uns dabei die hochdynamischen Prozesse auf unserem Planeten zu verstehen und zu erkennen welche Rolle der Mensch dabei spielt?
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Satelliten können Merkmale unserer Umwelt aufzeichnen, die uns Menschen verborgen bleiben. Doch was genau sehen sie denn, was wir nicht sehen?
Alle Informationen, die von erdbeobachtenden Satelliten gesammelt werden sind aus den Wellen des elektromagnetischen Spektrums abgeleitet. Grund genug, sich diese elektromagnetischen Wellen und ihre Eigenschaften einmal genauer anzuschauen.
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Den meisten Menschen ist Infrarot aus dem Alltag ein Begriff. Wärmebildkameras, Infrarotlampen, aber auch Fernbedingungen oder die Körperscanner am Flughafen verwenden Infrarot. Wir Menschen können Infrarot nicht sehen, nehmen es aber teilweise als Wärme wahr. Also was genau ist Infrarot und wie wird es in der Erdbeobachtung eingesetzt?
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Wie genau wir unsere Umwelt mit Hilfe von Satelliten beobachten können, hängt maßgeblich von verschiedenen Eigenschaften ihrer Sensoren ab, denn diese entscheiden darüber, wie detailliert Informationen über die Erdoberfläche aufgezeichnet werden. Aber warum verwendet die Fernerkundung nicht einfach nur Sensoren mit einer hohen Auflösung, um uns eine detailgenaue Abbildung der Erdoberfläche zu ermöglichen?
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Spektrale Satellitensensoren sehen die Erde grau. Dies liegt daran, dass sie jeden Wellenlängenbereichen getrennt voneinander in so genannten Spektralkanälen aufnehmen. Die spektrale Auflösung, also die Anzahl der Spektralkanäle, ist eine wichtige Eigenschaft von Satellitensensoren. Doch welche spektrale Auflösung sollte ein Sensor haben und warum können nicht alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums gemessen werden?
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Ganze 400 km von unserer Erde entfernt, befindet sich die Internationale Raumstation, die ISS. Binnen 92 min umkreist die fußballfeldgroße Station unseren Planeten und ist seit dem Jahr 2000 ständig bewohnt. Sie bietet ein einzigartiges Potential für die Forschung in verschiedensten naturwissenschaftlichen Gebieten – und auch für die Erdbeobachtung! Werfen wir also einen kurzen Blick auf einige wichtige Sensorsysteme, die sich auf der ISS befinden und mit ihren Missionen die Beobachtung und die Erforschung unseres Planeten vorantreiben.
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Wir Menschen verändern die Landoberfläche unserer Erde aktiv – und das, in einem viel größeren Maßstab und mit dramatischeren Folgen als jemals zuvor. Wozu führen die Veränderungen bei der Landnutzung? Und wie lassen sich diese global verfolgen und darstellen?
Satellitenaufnahmen ermöglichen uns die Veränderungen in der Landnutzung sehr genau zu dokumentieren. Sie machen das Erfassen der Landbedeckung möglich und liefern Informationen über die Landnutzung auf globaler Ebene. Sie ermöglichen uns Prozesse des Landnutzungswandels und die damit verbundenen Entwicklungen zu verstehen und zu begleiten.
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Die Physik der elektromagnetischen Wellen eröffnet der Fernerkundung nicht nur viele Möglichkeiten, sondern sorgt auch für gewisse Einschränkungen. Diese Einschränkungen besagen: Radarsatelliten können eigentlich nicht funktionieren! Warum? Das lässt sich, mathematisch und physikalisch, herleiten.
CO2 hauptverantwortlich für den momentan stattfindenden Klimawandel.
Es gibt allerdings große Unsicherheiten, wer genau wie viel CO2 emittiert und wo wie viel CO2 von der Biosphäre aufgenommen wird. Satellitenmessungen der atmosphärischen CO2 Konzentration können dazu beitragen die anthropogenen Emissionen grenzübergreifend zu beobachten. In dieser Unterrichtseinheit können SuS mit Hilfe einer interaktiven Grafik atmosphärische CO2-Konzentrationen bestimmen sowie Herausforderungen bei Satellitenmessungen ableiten und diskutieren.
Jahrgangstufen: 9,10,11,12,13
Bearbeitungszeit: 90 min
Fächer : Geographie, Physik, Naturwissenschaften
Leitfrage:Wie können CO2-Konzentrationen mit Hilfe von Satellitenmessungen bestimmt werden
und welche Schwierigkeiten gibt es in Bezug auf die Messung und Aussagekraft?
Themen: CO2 Konzentration, Klimaentwicklung, Klimawandel
Wie beeinflusst
der Mond die Erde – und wie die Erde den Mond?
Was wäre, wenn sich der Mond viel näher um die Erde drehen würde – oder viel weiter weg?
Und wieso trifft der Mondschatten die Erde so selten?
Im neuen Arbeitsblatt “Von der Erde zum Mond und zurück – Gravitation im Erde-Mond-System” mit dazugehöriger App beschäftigen sich Schüler*innen experimentell mit der Veränderung des Erde-Mond-Abstandes. Mit dem Smartphone nehmen die Schüler*innen die Position des Mondes ein und können aus dem Weltraum heraus experimentieren. So finden sie heraus, was passiert, wenn sie der Erde immer näher kommen – sowohl auf der Erde, als auch auf dem Mond. Mit der Mondschatten-Simulation und dem Video einer Mondfinsternis aus dem All ermitteln sie nicht nur, warum Mond- und Sonnenfinsternisse so selten sind, sondern erhalten auch ein Verständnis für die Größenverhältnisse im Weltraum.
Die App ist Teil der Columbus-Eye-App. Kostenlos erhältlich bei Google Play (Part “Erde-Mond-System”)
Ziele: Die Schüler*innen sollen…
Die Zip-Datei (1MB) enthält das Arbeitsblatt, Lehrermaterial mit Stundenplanung und Musterlösungen und das Haupt-Markerbild “Erde”. Für technisch Interessierte ist die Arbeitsweise der App mit den physikalischen, mathematischen und geographischen Hintergründen im Zusatzmaterial erklärt.
In dieser Einheit befassen sich die Schüler*innen mit der Energiegewinnung und -verbrauch in den benachbarten Regionen Belgien und Nordrhein-Westfalen. Dabei werden tatsächliche Auswirkungen des in NRW intensiven Braunkohletagebaus und potentielle Auswirkungen des in Belgien bevorzugten Atomstroms anhand von animiertem Kartenmaterial verglichen. Ein Video der Region bei Nacht, aufgenommen von der ISS, verdeutlicht den Energieverbrauch ebenso wie die unterschiedlich entwickelte Siedlungsstruktur.
Die App ist Teil der Columbus-Eye-App. Kostenlos erhältlich bei Google Play (Part “Erde bei Nacht”)
Ziele: Die Schüler*innen sollen…
Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit den unterschiedlichen Strukturen von Städten in vier verschiedenen Kulturräumen der Erde. Das Lernmodul ist so aufgebaut, dass die Schüler/Innen in einem ersten Teil mehr über die Entwicklung und innere Differenzierung von Städten aus Mitteleuropa, den USA, Südamerika und den sozialistischen Staaten erfahren. Anhand von Schrägluftbildern und schematischen Illustrationen können sich die Schüler/Innen eigenständig über die kulturgenetische Entwicklung der ausgesuchten Stadtmodelle informieren. Im nächsten Schritt erfolgt der praktische Teil. Hier stehen den Schüler/Innen vier hochaufgelöste Echtfarben-Bilder des RapidEye-Satelliten zur Verfügung. Sie können diese Bilder mit Hilfe der so genanten „Edge Detection“ (Kantendetektion) bearbeiten. So werden Kanten und Linien hervorgehoben, Flächen dagegen treten in den Hintergrund. Anhand der sich abzeichnenden Struktur, können die Schüler/Innen das Wissen über die spezifische Stadtentwicklung und der inneren Differenzierung der ausgesuchten Kulturräume anwenden und versuchen Gemeinsamkeiten wie Unterschiede zwischen Realität und Idealtyp festzustellen.
Klassen: 10, 11, 12, 13
Bearbeitungszeit: 1 Stunde
Niveau: fortgeschritten
Voraussetzungen: keine
Themen: Kantendetektion, Kulturräume der Erde, Satellitenbilder, Stadtentwicklung, Stadtmodelle, Stadtstrukturen
Autoren: Andreas Rienow, Henryk Hodam, Ali Zubair Shah
Am Beispiel des Braunkohletagebaus Hambach westlich von Köln werden die Entstehung und Lage von Braunkohle sowie die Abbautechniken genau erklärt. Ergänzend vergleichen und bewerten die Schülerinnen und Schüler die Entwicklung verschiedener durch den Braunkohleabbau geprägter Gebiete. Dabei sollen sie die Bedeutung des Braunkohleabbaus für die deutsche Energieversorgung verstehen und die Entwicklung nach der Rekultivierung einschätzen lernen.
In dieser Unterrichtseinheit werden verschiedene Fernerkundungsdaten eingesetzt – von optischen Satellitendaten wie MODIS oder LANDSAT bis hin zu einem digitalen Geländemodell. Mit Hilfe kleiner und intuitiv nutzbarer Tools erforschen die Schüler/Innen diese Datensätze und erarbeiten sich eigene Erkenntnisse zum Landschaftswandel durch den Braunkohleabbau.
Klassen: 11
Bearbeitungszeit: 5 Stunden
Niveau: leicht
Voraussetzungen: keine
Themen: Braunkohle, Geländemodelle, Ressourcennutzung,
Tagebau
Autoren: Roland Goetzke, Florian Thierfeldt