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Das Landsat-Programm: 50 Jahre Beobachtung der Erdoberfläche

Das Konzept dieses Künstlers zeigt Landsat 9, die jüngste Ergänzung des langjährigen Landsat-Programms, das 2021 gestartet wurde.
Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab der NASA

Die Landwirtschaft beansprucht die knapper werdenden Wasservorräte stark. Doch jedes Jahr werden durch Überbewässerung riesige Mengen Wasser verschwendet. Landwirte in Bangladesch – wie so viele Orte auf der ganzen Welt – sind mit Überschwemmungs- und Dürrezyklen konfrontiert, die es schwierig machen, Wasserknappheit zu bewältigen.

Es stellt sich heraus, dass es dafür einen Satelliten gibt. Das Landsat-Programm der NASA, das diesen Monat sein 50-jähriges Bestehen feiert, strahlt Daten zurück, mit denen Beobachter verfolgen können, welche Felder zu viel Wasser erhalten haben. Anhand der Daten entwickeln Forscher der University of Washington ein Textwarnsystem, das Landwirte darüber informiert, wenn ihre Felder überbewässert werden. Mehr als 100.000 Landwirte in ganz Südasien haben sich für das System angemeldet, das Landwirten in Pakistan Berichten zufolge bis zu 40 Prozent des Wasserverbrauchs einspart.

Ein langes Erbe

Landsat ist das am längsten kontinuierlich laufende Landbeobachtungssatellitenprogramm der Welt. Ursprünglich Earth Resources Technology Satellite genannt, wurde der erste Landsat-Satellit vor 50 Jahren, am 23. Juli 1972, gestartet. Seitdem haben acht weitere Satelliten sein Vermächtnis ohne Lücken in der Abdeckung fortgesetzt – die neuen wurden wie die alten in die Umlaufbahn gedreht stillgelegt, um sicher in der Erdatmosphäre zu verglühen. Der jüngste Satellit, Landsat 9, wurde erst letztes Jahr gestartet.

Zeitleiste des Landsat-Programms
Eine Zeitleiste des Landsat-Programms.
NASA

Tatsächlich ist Landsat so ein Teil unserer Welt geworden, wie NASA-Imaging-Experte Joshua Stevens betont, dass es sogar eine Art Cameo in dem Blockbuster-Film Kong: Skull Island bekommt. Nicht viele tatsächliche Satelliten schaffen es in Hollywood-Drehbücher.

Landsat ist ein Satellitenprogramm zur Überwachung der Ressourcen der Erde, das alle 16 Tage (oder alle 8 Tage, wenn zwei Satelliten aktiv sind) ein vollständiges Bild der Erde erstellt Das ist vielleicht nicht gut genug, um beispielsweise einen einzelnen Baum zu untersuchen, aber Sie können immer noch messen, wie viel heißer eine Stadt wird als der Wald um sie herum – oder sogar „sehen, dass Ihr neuer Garten kühler ist als Ihre Auffahrt“, Stevens sagt. Jeden Tag werden die Daten von Tausenden von Menschen auf der ganzen Welt für alles verwendet, von der Vorhersage von Waldbränden über die Messung von Ölverschmutzungen bis hin zur Verfolgung von zurückweichenden Gletschern. Landsat ist aus der Klimawissenschaft kaum vorstellbar.

Landsat-Aufnahme von Öl in der Nähe von Port Fourchon
Landsat erfasste Ölteppiche, die nach dem Hurrikan Ida im Jahr 2021 zurückblieben.
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„Es ist wie ein Schweizer Taschenmesser“, sagt NASA-Wissenschaftler Jeff Masek. Und wie die meisten Multitools ist es auf eine Weise nützlich, die sich seine ersten Entwickler nicht vorgestellt haben.

Der beste Teil? Die NASA und der US Geological Survey stellen alle Daten kostenlos zur Verfügung.

Der Keim für die Technologie von Landsat stammt aus den 1910er Jahren. Damals wurden die ersten Nahinfrarot-Landschaftsfotografien veröffentlicht. Es stellt sich heraus, dass gesunde Blätter eine besondere Reaktion auf Nahinfrarotstrahlung haben: Sie reflektieren das meiste davon zurück. Dadurch erscheinen sie in Infrarotbildern hell. Absterbende oder abgestorbene Pflanzen reflektieren weitaus weniger. In den 1930er Jahren sammelte das US-Landwirtschaftsministerium Infrarotbilder per Flugzeug, um die Pflanzengesundheit zu überwachen. Während des Zweiten Weltkriegs wurde derselbe Effekt nützlich, um Flugzeuge, Panzer oder andere militärische Ausrüstung zu entdecken, die unter Tarnnetzen versteckt waren: Die Tarnfarbe mag für das menschliche Auge der Vegetation ähneln, aber sie konnte Infrarotfilme nicht täuschen.

Infrarotbild von Bäumen
Dieses Infrarot-HDR-Foto, das in Orlando, Florida, aufgenommen wurde, zeigt, wie gesunde Blätter das meiste langwellige Licht reflektieren und sie in solchen Bildern zum Leuchten bringen.
David (Brokentako) über Flickr

Diese beiden Hauptanwendungen – landwirtschaftliche Überwachung und militärische Aufklärung – trieben die frühe Entwicklung der Technologie voran, die an Bord von Landsat eine Heimat fand. Als der Kalte Krieg in den 1960er Jahren Einzug hielt, finanzierte die US-Regierung eine Reihe geheimer Projekte, um die Fernerkundung in beiden Bereichen zu verbessern. Diese Forschung ebnete den Weg für ein ziviles Instrument namens Multispektralscanner. Zuvor stützte sich die Fernerkundung meist auf Luftbildkameras, die visuelle Bilder (einschließlich Infrarotfotos) aufzeichneten.

Aber der Multispektralscanner von Landsat macht keine Fotos. Es sammelt Informationen. Die Sensoren erfassen elektromagnetische Energie über einen breiten Wellenlängenbereich, von kurzwelligem sichtbarem Licht (was wir als tiefes Blau und Violett sehen) bis hin zu längerwelligem thermischem Infrarot (ein Proxy für die Temperatur). Es misst dann, wie viel Energie in jedem Spektralband oder einem bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums vom Ziel emittiert, absorbiert oder zurückgeworfen wird – daher multispektral.

Eine neue Ansicht

Durch das Sammeln von Daten über mehrere Wellenlängen gibt der Scanner Informationen zurück, die verwendet werden können, um sich Phänomene auf der Erde vorzustellen: Dinge wie Temperatur, Vegetationsdichte, das Niveau der photosynthetischen Aktivität (korreliert mit der Pflanzengesundheit) und sogar die Wassermenge, die eine Pflanze transpiriert durch seine Blätter. Diese letzte Messung hilft den Landwirten in Bangladesch festzustellen, ob ihre Ernten überwässert sind.

Die Daten können dann in Karten und Bilder umgewandelt werden und bieten ein leistungsstarkes Analyse- und Kommunikationswerkzeug.

Landsat-Daten, die Chlorophyll in einem See zeigen
Schädliche Algenblüten in Petenwell Lake, Wisconsin, aus Landsat-Daten von 2018. Dieses Bild zeigt verschiedene Konzentrationen des photosynthetischen Farbstoffs Chlorophyll.
NASA-Erdobservatorium / Joshua Stevens

Samuel Goward, emeritierter Professor am Department of Geographical Sciences der University of Maryland, arbeitet seit Beginn des Programms in den 1970er Jahren mit Landsat-Daten. Er weist darauf hin, wie revolutionär der Wechsel von der visuellen zur computergestützten Datenanalyse war. „Mit den Scannern hat man jetzt eher Messungen physikalischer Phänomene als ein Bild“, sagt er. „Sie können dann jedes Pixel in eine biophysikalische Messung dessen umwandeln, was an dieser Stelle vor sich geht.“

Dies war nicht nur ein technologischer Fortschritt – es veränderte die Art und Weise, wie Forscher über den Planeten dachten. Für Goward bedeutete Landsat „eine neue Wissenschaft der Betrachtung des Planeten Erde“.

Früher konzentrierten sich Wissenschaftler im Labor eher auf diskrete Phänomene: einzelne Zellen, sogar bestimmte Moleküle. Auch mit Luftaufnahmen konnten sie nur feststellen, was da war oder nicht – zum Beispiel bestimmen, dass einst ein Baum an der Stelle stand, wo heute ein Gebäude steht.

Die von Landsat verwendeten digitalen Sensoren ermöglichen es jedoch, Phänomene zu betrachten, die sich kontinuierlich über Raum und Zeit verändern, wie zum Beispiel das Niveau der Photosynthese. „Ich denke, zu erfahren, dass wir die photosynthetische Aktivität auf dem Planeten messen können, war für mich so erstaunlich wie alles andere“, erinnert sich Goward. „Es hat das Paradigma umgedreht.“

Gesunde Pflanzen mit einer hohen Konzentration an photosynthetischen Pigmenten geben ein hohes Maß an Energie im nahen Infrarot zurück; Wenn die Pflanzen krank werden, nimmt ihr Reflexionsvermögen ab. Angenommen, Sie möchten kartieren, wie sich Wälder nach Waldbränden erholen, oder die Verteilung von kontrollierten Bränden auf Ackerland verfolgen. Landsat ist der Satellit für Sie.

„In Raum, Zeit und Wellenlänge sehen zu können – all diese unterschiedlichen Phänomene – zeigt uns die Dimensionen des Planeten, auf dem wir leben“, sagt Goward. Tatsächlich hat die Arbeit mit Landsat-Daten seine persönliche Sicht auf die Welt verändert. Er habe zum Beispiel angefangen zu überdenken, was ein Lineal wirklich ist und wie es funktioniert, sagt er. „Ein Lineal ist nur eine Möglichkeit, diskrete Kategorien aus einem kontinuierlichen Phänomen namens Entfernung zu erstellen.“

Im Laufe der Jahrzehnte hat Goward diese Landsat-Vision der Welt mit seinen Schülern geteilt. Um etwas über Fernerkundung zu lernen, sagt er ihnen, müssen sie zuerst das elektromagnetische Spektrum verstehen. „Und wer das elektromagnetische Spektrum versteht, versteht nicht nur die Welt, in der wir leben, sondern auch das Universum.“

Salinen in Bolivien
Salzseen in Bolivien, gesehen von Landsat im Jahr 2022.
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Aber Sie können auch Dinge aus der näheren Umgebung nachvollziehen: wie viel Wasser Ihre Pflanzen brauchen, ob ein Wald gedeiht oder wie sich Hochwasser durch eine Region bewegen. Einige Leute laden Landsat-Daten herunter oder verwenden Worldview-Karten der NASA, um Jagd- oder Angelausflüge zu planen, sagt Stevens. Er selbst schaut sich manchmal einen besonderen Ort in Kanada an, wo er früher mit seinem Großvater zum Angeln war. „Landsat ist eine dieser Linsen, die Menschen mit Dingen verbinden kann, mit denen sie bereits vertraut sind“, sagt er. „Und dann sieht man im Laufe der Zeit Veränderungen.“

Nichts ist konstant außer der Veränderung, so das Sprichwort – und wenn Sie von irgendwo auf der Erde in den Nachthimmel blicken, besteht eine gute Chance, dass Landsat irgendwo über Ihnen ist und diese Veränderungen für alle sichtbar aufzeichnet.

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