Satelliten: Umweltschützer und Entwicklungshelfer aus dem All?

Satelliten sind unbemannte Flugkörper, die auf einer Umlaufbahn die Erde (oder den Mond) umkreisen. Sie sammeln dabei verschiedene Daten, die entweder der wissenschaftlichen Forschung oder aber technischen Zwecken wie Navigation, Telefonie oder Fernsehübertragung dienen. Einige Satelliten nehmen beispielsweise vorrangig Bilder von der Erdoberfläche auf und sind deshalb gut geeignet für die Veranschaulichung von Makroveränderungen wie Wetter-, Klima- oder Landschaftsveränderungen. Je nach Einsatzgebiet befinden sich Satelliten in ganz unterschiedlichen Höhen.

Im niedrigen Erdorbit, mit einem Abstand zwischen 200 bis 2.000 Kilometern zur Erde, fliegen etwa Spionagesatelliten, Erderkundungssatelliten, Wettersatelliten sowie bestimmte Kommunikationssatelliten. Daran schließt sich der Bereich des mittleren Erdorbits an, in dem sich Navigations- und weitere Kommunikationssatelliten befinden. Der Bereich des mittleren Erdorbits reicht bis in rund 36.000 Kilometer Höhe. Weil die Umlaufdauer der Satelliten hier genau der Rotationsgeschwindigkeit der Erde entspricht,  schweben diese Satelliten „fest“ über dem Erdball. Man kann also zum Beispiel eine Satellitenschüssel exakt auf diese Stelle ausrichten und so mittels Fernsehsatellit daheim TV-Programme empfangen.

Nach Angaben der amerikanischen Organisation Union of Concerned Scientists fliegen aktuell über 1000 aktive Satelliten in der Erdumlaufbahn. Mehr als die Hälfte davon wird für Kommunikationszwecke wie Telefonie, Fernsehen, Radio oder die digitale Datenübertragung verwendet. Ein weiterer Großteil dient der Erdbeobachtung und der Meteorologie. Mehr als 30 Satelliten sind für das Ortungssystem GPS verantwortlich und ein kleiner Teil erfüllt militärische Überwachungsaufgaben. Sie alle liefern uns aufschlussreiche Informationen über Vergangenes, Aktuelles und geben uns sogar (oft sehr genaue) Prognosen über Zukünftiges. Durch Stauvorhersagen, Wetterprognosen oder dem Internet im Allgemeinen nutzen wir ihre Dienste jeden Tag – ob nun bewusst oder unbewusst.

Der Beginn der Satellitentechnik: Telefonie, Navigation und Erdbeobachtung

Mit dem erfolgreichen Start des sowjetischen Sputnik 1 am 4. Oktober 1957, dem weltweit ersten Erdsatelliten in der Umlaufbahn, konnte man eine rasante Forschungsentwicklung auf dem Feld der Satelliten beobachten. Diese Entwicklung war ein Nebenprodukt des Kalten Krieges und wurde angeführt von den beiden damaligen Supermächten: den USA und der Sowjetunion. Innerhalb dieses Rüstungswettbewerbs punkteten wenig später (1958) US-Amerikanische Forscher mit Transit, dem weltweit ersten Satellitennavigationssystems. Transit erledigte die Zielführung von Raketen auf U-Booten und Flugzeugträgern der US-Navy. Von Transits unmittelbarem Nachfolgesystem, dem “Global Positioning System” oder kurz GPS, profitieren wir noch heute.

Kurze Zeit später, bereits in den Sechziger Jahren, wurden Forschungssatelliten für Astronomie, Wetter oder Kartografie entwickelt. Ausgestattet mit Radar, Infrarot oder Fotografie, liefern uns Erdbeobachtungssatelliten noch heute Bilddateien und Messwerte mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Erdbeobachtungssatelliten arbeiten sowohl mit passiven als auch mit aktiven Sensoren. Während passive Messverfahren die von der Erde bzw. den Wolken abgestrahlte Licht- oder Wärmeenergie messen, erfolgt die aktive Erderkundung mittels Radartechnologie. Diese liefert genaue Werte zur Oberflächenstruktur der Erde – und das sogar zentimetergenau. Somit können sogar geringste Erdverschiebungen gemessen und entsprechende 3D-Modelle erstellt werden.

Es ist vor allem der Einsatz von Erdbeobachtungssatelliten, der zur Fernerkundung (Remote Sensing) unseres Planeten dient. Obwohl sie bereits seit über fünfzig Jahren existieren, ist ihr Einsatz für den Natur- und Umweltschutz vergleichsweise neu. Die Satelliten im Einsatz für die Natur hören auf klangvolle Namen wie “Quickbird”, “Geoeye” oder “Worldview” und sind mit ultramoderner Sensorik ausgestattet. Hierdurch verfügen Natur- und Tierschützer sowie Klimaforscher über Möglichkeiten, die noch vor wenigen Jahren als utopisch galten.

Satelliten als Klimaschützer

Seit dem erfolgreichen Start der ersten Erdbeobachtungssatelliten (1959: „Keyhole“ 1959 (Spionage), 1960: „TIROS-1“ (Wetter) und 1972: „Landsat-1“), haben sich die technischen Fähigkeiten zur Erderkundung deutlich verbessert. Der 2015 fertiggestellte Sentinel-2A z.B. soll die großen Veränderungen des Klimas und der Vegetation in nie zuvor dagewesenen Maßstäben beobachten. Niemals konnte ein Satellit so schnell so große Gebiete auf der Erde in einer so hohen Qualität und Farbigkeit fotografieren wie der erste optische Abbildungssatellit des Copernicus-Programmes der Europäischen Union. Sentinel-2A rast mit einer Geschwindigkeit von sieben Kilometern pro Sekunde um die Erde und filmt einen 290 Kilometer breiten Streifen auf der Erdoberfläche nach dem anderen aus einer Höhe von 786 Kilometern. Da er nur etwa 100 Minuten für eine Erdumrundung benötigt überfliegt er nach zehn Tagen den gleichen Ort noch einmal.

ESA_events Sentinel-2A startete im Juni 2015 in Französisch-Guayana

Die 13 abgedeckten Farbspektren reichen vom sichtbaren Bereich bis in das für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotspektrum. So erkennt die Kamera beispielsweise, wie hoch der Chlorophyll- oder Wassergehalt in Pflanzenblättern ist –  eine Information, die u.a. für Landwirte bei der Bewässerung wichtig sein könnte. Die Aufnahmen und Daten, die Sentinel-2A während seiner Erdrumrundungen sammelt, sind dabei frei zugänglich für Forscher, Landwirte, Küstenschützer oder Katastrophenhelfer, die aus den am Esa-Programm beteiligten Staaten kommen (Quelle: FAZ 2015).

Satelliten – eine Revolution für den Umweltschutz?

Jon Hoekstra, leitender Wissenschaftler beim World Wildlife Fund (WWF) schreibt in seinem Artikel „Networking Nature“ (Foreign Affairs, April 2014), dass Satellitentechnik den Naturschutz in zweierlei Hinsicht revolutioniere: Zum einen machen Satelliten den momentanen Zustand der Umwelt in bisher unbekannten Einzelheiten sichtbar. Zum anderen stellen sie die gewonnenen Daten für immer mehr Menschen an immer mehr Orten bereit.

Fernerkundungsspezialisten wie z.B. Aurelie Sharpo vom WWF analysieren täglich die Bilder von Erdbeobachtungssatelliten und scannen sie auf eventuelle Veränderungen. „Wenn etwa zu viel Grün verschwunden ist, kann das auf illegalen Ackerbau oder Abholzung hinweisen“, sagt Sharpo (Quelle: WWF Magazin). In solchen Fällen informiert sie die entsprechenden Akteure und gibt die GPS-Koordinaten der identifizierten Stelle durch. “Mit der Fernerkundung sehen wir, wie sich Lebensräume durch Menschenhand verändern – und wie wir gegensteuern können. Die Methode bietet dem Naturschutz viele ungeahnte Möglichkeiten, präzise und schnell Daten in der Natur zu erfassen und damit deutlich rascher als bisher zu reagieren und Schutzmaßnahmen umzusetzen,” so Sharpo. Im Jahr 2011 entdeckten sie und ihre Mitarbeiter so ein großes, abgeholztes Viereck in einem Nationalpark auf Sri Lanka. Ein internationales Unternehmen war dabei, eine mehr als 2000 Hektar große Bananenplantage illegal anzulegen. Mithilfe der Satellitenbilder konnten die Naturschützer vor Gericht erwirken, dass die Firma ihr Vorhaben aufgeben musste.

Satelliten-Monitoring für den Artenschutz

Ihren Anfang fand die Nutzung von Satellitentechnik im Bereich des Tierschutz mit GPS. Mitte der 1990er Jahre beobachtete die weltweit anerkannte Pinguin-Expertin P. Dee Bersma erstmalig Magellan-Pinguine mit GPS-Sendern. Sie konnte nachweisen, dass massenhaft Tiere starben, nachdem sie die verschmutzten Gewässer entlang der argentinischen Küste durchquerten. Das durch die Schifffahrt mit Öl verschmutzte Wasser verklebte das Gefieder der Vögel. Die gesammelten Daten überzeugten schließlich die verantwortlichen Behörden: die Schifffahrtsrouten wurden gerändert und die Verschmutzung zumindest eingeschränkt. Heute gilt die Population der Magellan-Pinguine als recht stabil.

Um auf den Rückgang von Tierarten reagieren zu können, müssen deren Populationen Jahr für Jahr erfasst werden. “Monitoring” nennen die Forscher diese Langzeitdatenaufnahme. Klassischerweise gehen dafür artenkundige Mitarbeiter regelmäßig in das Untersuchungsgebiet und notieren jeden gesichteten Vertreter der gewünschten Art. Das ist oftmals enorm aufwändig und die Personalkosten sind hoch. Neue Techniken zur Überwachung der Biodiversität arbeiten dagegen mit Multispektralkameras an Flugobjekten wie Drohnen oder Flugzeugen. Bei einer Reichweite von 300 Metern ist jedoch auch hier die technische Grenze bald erreicht und es wird auf Satellitenaufnahmen zurückgegriffen.

Biologen der Universität von Minnesota untersuchten 2014 in einer Studie die Effizienz von Satellitentechnologien, indem sie Eisbärenpopulationen in der kanadischen Arktis einmal via Satellitenbild und ein anderes Mal via Luftbildaufnahme aus dem Flugzeug zählten. Da sich die jeweiligen Zählungen nur geringfügig unterschieden, stehen die Biologen der Satellitentechnologie zuversichtlich gegenüber: „Sie liefert nicht nur sehr präzise Monitoring-Resultate, sondern ist zudem wesentlich günstiger als Monitoring vom Boden oder aus Flugzeugen,“ so das Forscher-Team. Die Fernerkundung via Satellit hat jedoch auch Nachteile: Während durch Luftbild- oder Bodenmessungen spezifisches Gruppenverhalten der Tiere identifiziert werden konnte, waren demographische Strukturen wie Familiengruppen oder Bärenkinder auf den Satellitenbildern deutlich schlechter zu erkennen.

Satelliten als Naturschützer

Mithilfe von Satelliten können nicht nur Tiere gezählt, sondern ganze Ökosysteme nahezu in Echtzeit überwacht werden. Die tropischen Regenwälder des Amazonas zum Beispiel. Sie gehören zu den letzten großen Wildgebieten unseres Planeten. Sie geben Sauerstoff ab und nehmen als grüne Lunge der Erde Kohlendioxid (CO2) auf. Wissenschaftlern ist klar, dass der Schutz und Erhalt dieser Wälder eine unmittelbare und effektive Strategie zur Verlangsamung des Klimawandels darstellt. In Brasilien bedeckte das Amazonasgebiet einst über vier Millionen km² – eine Fläche fast so groß wie halb Europa. Durch Rodung verkleinerte sich dieses Gebiet massiv. Einen Höhepunkt erreichte die (illegale) Abholzung, als im Jahr 2004 über 27.000 km² Regenwald gerodet wurden. Allerdings konnte das Land bis 2011 diese kritische Zahl auf „nur noch“ 5.000 km² verringern. Was war passiert?

NASA Goddard Space Flight Center Man muss kein Profi sein, um diese Satellitenbilder zu lesen. Es ist ganz einfach: Braune Flecken = kein Regenwald mehr

Brasilianische Forscher veröffentlichten hierzu im Rahmen der Climate Policy Initiative 2013 einen Report. In diesem begründen sie, dass der enorme Rückgang der Abholzung im brasilianischen Amazonas der staatlichen Implementierung von DETER (Real Time System for Detection of Deforestation) zu verdanken sei. Das satellitenbasierte System verarbeitet Geodaten und Bildmaterial des Regenwaldes in einem 15-tägigen Wiederholungsintervall. Ein automatisiertes Alarmsystem ermöglicht es, Hot-Spots nahezu in Echtzeit zu erkennen. Vor der Einführung von DETER war ein zeitnahes Eingreifen oft unmöglich, da von der Abholzung gefährdete Bereiche oftmals nur durch zeitverzögerte Aussagen von Privatpersonen entdeckt werden konnten. Die Wissenschaftler schätzen, dass durch Einbindung des DETER-Systems in die Politik des brasilianischen Staates über 59.500 km²  Regenwald zwischen 2007 und 2011 gerettet werden konnte. Dies entspricht einer Verminderung der Abholzungsrate um ganze 59%.

Messung der Meeresversauerung aus dem All

Neben Regenwäldern sind es auch die Meere, die uns eine lebenswichtige Biosphäre bereitstellen. Auch hier zählt der Klimawandel zu einer der großen Bedrohungen. Ein beachtlicher Teil des vom Menschen in die Atmosphäre geblasenen CO2s wird von den Meeren aufgenommen und gebunden. Folge: das Meerwasser versauert. Die entstehenden Säuren greifen die kalkhaltigen Schalen von Krustentiere wie Korallen und Austern an und zerstören die Biodiversität unter Wasser. Um den Säuregehalt (pH-Wert) von Wasser zu bestimmen, mussten Wissenschaftler bisher via Forschungsschiff in die gefährdeten Gebiete fahren und vor Ort Wasserproben entnehmen.

Ein englisches Forscherteam konnte nun die Ozeanversauerung aus dem All bestimmen. Basierend auf den von Satelliten gesammelten Messdaten wie Temperaturwerte und Salzgehalte, wurden Ozeankarten erstellt, auf denen die sogenannte Alkalinität zu erkennen ist. Die Alkalinität ist die Fähigkeit des Wassers, Säure zu neutralisieren und es gilt: Je höher die Alkalinität, umso weniger sauer ist das Wasser. „Satelliten werden wahrscheinlich immer wichtiger, wenn es um die Beobachtung der Ozeanversauerung geht„, erklärt der projektleitende Wissenschaftler Jamie Shutler von der University of Exeter. Die Beobachtung aus dem All sei vor allem in entfernt liegenden Regionen wie der Arktis sehr hilfreich.

In Sachen Meeresschutz sind Satelliten auch auf andere Art hilfreich für Aktivisten und Forscher. Sie können die Verklappung von Müll und Öl auf hoher See tracken. Denn trotz der internationalen MARPOL-Konvention zum Schutz der Meere vor Verschmutzung kippen nach wie vor Unternehmen ihre Atlasten, Gifte und Öle ins Meer. Ein Grund dafür: auf dem Meer sind sie nahezu unsichtbar. Mit dem Einsatz von Satelliten-Bildern als wachsames Auge von Öffentlichkeit und Staat ändert sich das.

Satelliten in der Entwicklungszusammenarbeit

Im Jahr 2014 machte Ebola weltweit Schlagzeilen: eine hochansteckende Infektionskrankheit, die durch Ebola-Viren hervorgerufen wird und nun aus Afrika in den globalen Norden übersiedelt. Diese und weitere Meldungen verdeutlichen die Anfälligkeit großer Bevölkerungen gegenüber ansteckenden Krankheiten. Flugreisen, Bevölkerungswachstum, Flüchtlingsströme, Umweltverschmutzung, die Zerstörung natürlicher Ökosysteme und internationale Konflikte vereinfachen die Übertragung solcher Krankheiten. Somit stellen Epidemien und Pandemien ernstzunehmende Gefahren für die Weltbevölkerung dar. Wie kann Satellitentechnik hier hilfreich sein?

US-Amerikanische und englische Forscher untersuchten die Frage nach dem Zusammenhang zwischen klimatischen Veränderungen und krankheitserregenden Umständen (Quelle: Centers for Disease Control and Prevention 2009). Satellitenbilder nehmen hierbei eine zentrale Stellung ein. Mit Hilfe von Fernerkundungsbildern und Messwerten können Szenarien für zukünftige Epidemien erstellt werden. Die Prognosen stützen sich auf den von Satelliten gemessenen Stand des Meeresspiegels, Wassertemperaturen und Chlorophyll-A-Werten. “Wenn man bereits vorher weiß, wann mit Cholera-Epidemien zu rechnen ist, kann das jeweilige Gesundheitsministerium unmittelbar informiert werden,“ schreibt das Forscherteam von der New England University.

Satelliten tracken Siedlungsverhalten von uns Menschen

Wissenschaftler der Princeton University forschten auf einem ähnlichen Gebiet. Sie fokussierten sich auf die von Satelliten gemachten Aufnahmen der drei größten Städte Nigers bei Nacht (2000-2004). Ihre These lautete, dass das Migrations- und Siedlungsverhalten von Menschen in einem Zusammenhang zu Epidemien von Krankheiten wie Masern und Meningitis stehen. Jährlich sterben dort tausende Menschen an diesen Krankheiten. „Da man temporäre und saisonal bedingte Migranten nur sehr schwer erfassen kann, liefert uns die Anhäufung von Lichtern in Städten bei Nacht eine wichtige Quelle“, so Deborah Balk, Professorin an der New Yorker Universität.

NASA Goddard Space Flight Center Wo Licht ist sind nicht nur wir Menschen, sondern oft auch mögliche Herde für Epidemien

Die Forscher fanden heraus, dass die Krankheitsansteckungen vor allem durch das gestiegene Bevölkerungswachstum gefördert werden. Mit der Hilfe von räumlichen Analyseprogrammen wie ArcGIS erstellten sie auf der Basis von Satellitenbildern exakte 3D-Modelle, auf denen die jeweiligen Anhäufungen von Lichtern zu erkennen sind. Die Auswertung der Modelle gab Aufschluss über temporäre Bevölkerungsdichten. Mit Satelliten solcherlei Bevölkerungswanderungen zu tracken könnte in Zukunft große Fortschritte in der globalen Krankheitsprävention und Gesundheitsförderung bedeuten.

Satellitentechnik – Potenzial für die Zukunft?

Jon Hoekstra Chief Researcher vom WWF weist darauf hin, dass trotz des gespannten Interesses an den neuen technischen Möglichkeiten, die damit einhergehenden Risiken nicht vergessen werden dürfen. Denn wie die meisten Technologien, bergen auch Satelliten ernstzunehmende Gefahren. „Letztlich bleibt die Technik nur ein Werkzeug – ein Werkzeug, das Nutzen, aber auch Schaden bringen kann,” so Hoekstra. Obwohl GPS-Peilgeräte beispielsweise Naturschützer im Kampf gegen Wilderer unterstützen, könnten sich Ortungsgeräte in falschen Händen als fatal erweisen. So könnten Wilderer bedrohte Arten mit der Hilfe von GPS wesentlich gezielter jagen und töten. Die Gewährleistung von Datensicherheit ist deshalb extrem wichtig. Entsprechende Maßnahmen müssen demnach von allen beteiligten Parteien gemeinsam für die Zukunft erarbeitet werden. Zudem erschwert mangelnde Infrastruktur in vielen Bereichen der Welt die Einbindungen der vielversprechenden Satellitentechnologie. Einige Naturregionen der Erde sind nach wie vor unzugänglich. Die Verbreitung von erschwinglichen Satellitenverbindungen, Mobilfunk-Masten und Solarenergie könnte helfen, diese Hürden zu überwinden.

Satelliten als Menschen-, Tier- oder Umweltschützer einzusetzen ist sinnvoll und entsprechende Projekte bergen großes Potenzial. Mithilfe von Satelliten werden immense Kosten in den Bereichen Monitoring, Tracking oder dem Erstellen von Zukunftsprognosen eingespart. Die gesunkenen Kosten für die Technologie und der rasante technische Fortschritt bringt ein erhöhtes Innovationstempo und eine Erweiterung möglicher Anwendungsbereiche der Satellitentechnik mit sich. Technologiebasierter Natur- und Umweltschutz und auch weite Teile der Entwicklungszusammenarbeit können mit dieser Technologie wesentlich effizienter gestaltet werden.

In unserem RESET-Spezial „Drones and Satellites for Good – Wie Drohnen und Satelliten die Welt retten“ haben wir uns die vielversprechendsten Satelliten- und Drohnen-Projekte vom Weltall bis zum Weltmeer angeschaut. Hier geht´s zur Artikelübersicht.

Quellen und Links:

• Assunção J., Gandour C., Rocha, R. (2013): DETERring Deforestation in the Brazilian Amazon: Environmental Monitoring and Law Enforcement.
• Good News, Bears: Satellites Could Spy on Arctic Species.
• Cnet (2011): Princeton researchers use satellite images to track disease.
• Förster M, Kleinschmit B. (o.J.): Potentiale der Fernerkundung für den Natuschutz.Technische Universität Berlin.
• Frankfurter Allgemeine Zeitung (2015): ESA startet Sentinel-2A-Satellit in Französisch Guayana.
• Fretwell PT, LaRue MA, Morin P, Kooyman GL, Wienecke B, et al. (2012) An Emperor Penguin Population Estimate: The First Global, Synoptic Survey of a Species from Space. PLoS ONE 7(4): e33751. doi:10.1371/journal.pone.0033751
• Globestories (2013): Satelliten und Drohnen im Naturschutz.
• Hoekstra, Jon (2014): Networking Nature. In: Foreign Affairs.
• Müller, Verena (2014): Der Kuckuck auf dem absteigenden Ast – Wie Satelliten, Drohnen & Mikrofone die Arten retten sollen. Netzwerk-Forum zur Biodiversitätsforschung.
• Sharpo, Aurelie (2013): Naturschutz via Satellit.
• Stapleton S, LaRue M, Lecomte N, Atkinson S, Garshelis D, et al. (2014) Polar Bears from Space: Assessing Satellite Imagery as a Tool to Track Arctic Wildlife. PLoS ONE 9(7): e101513. doi:10.1371/journal.pone.0101513.
• Thomas L., Buckland S., Rexstad E. (u.A.) (2010): Distance software: design and analysis of distance sampling surveys for estimating population size. Journal of Applied Ecology 47, 5–14.
• Union of Concerned Scientists (2014): Sattelite Database.
• Werner, Claudia (2002): Einsatzmöglichkeiten räumlich hochauflösender
• Satellitenbilder für Landschaftsplanung und Naturschutz. Habilitationsschrift an der Fakultät VII – Architektur Umwelt Gesellschaft – der Technischen Universität Berlin.

Autor: Simon Dupree/ RESET-Redaktion (2015)