Der Satellit beleuchtet die Atmosphäre nicht selbst.
Anders als Wetterradar ist ein klassischer Imager ein passiver Sensor. Er misst Strahldichte in diskreten Spektralkanälen. Im sichtbaren Bereich stammt das Signal überwiegend aus reflektierter Sonnenstrahlung; im thermischen Infrarot aus Eigenemission von Oberfläche, Wolken und Atmosphäre.
Die beobachtete Größe ist deshalb zunächst radiometrisch. Meteorologische Größen wie Wolkenoberkantentemperatur oder Feuchtestruktur entstehen erst durch Interpretation oder Retrieval.
Orbitgeometrie bestimmt, wie oft und aus welcher Richtung beobachtet wird.
Ein geostationärer Satellit bleibt über demselben Äquatorlängengrad und liefert sehr häufige Bildfolgen einer festen Erdscheibe. Das ist ideal für zeitliche Entwicklung von Wolken, Fronten und Konvektion. Zu den Scheibenrändern wächst jedoch der Blickwinkel: Pixel werden geometrisch gestreckt und hohe Wolken erscheinen durch Parallaxe horizontal versetzt.
Polar- bzw. sonnensynchrone Satelliten fliegen in niedriger Umlaufbahn. Ihre Swaths liefern hohe räumliche Auflösung und globale Abdeckung über mehrere Orbits, aber nicht dieselbe kontinuierliche Zeitfolge über einem Ort. Die begleitende Orbitgrafik ist bewusst schematisch und nicht maßstäblich.
VIS, WV und IR-Fenster sehen unterschiedliche Teile des Systems.
Ein VIS-Kanal um 0,64 µm reagiert bei Tageslicht auf reflektierte Sonnenstrahlung. Ein thermisches IR-Fenster um 10,8 µm liegt in einem relativ transparenten Atmosphärenbereich und ist daher empfindlich für Emission von Oberfläche oder Wolken. Ein WV-Kanal um 6,2 µm liegt dagegen in starker Wasserdampfabsorption und erhält wesentliche Beiträge aus der mittleren bis oberen Troposphäre.
Thermische Kanäle messen Radiance; Helligkeitstemperatur ist deren Planck-Inversion.
Für einen idealen Schwarzkörper ist die spektrale Strahldichte
Aus einer gemessenen thermischen Radiance L kann bei gegebener Wellenlänge eine Helligkeitstemperatur Tb definiert werden: jene Schwarzkörpertemperatur, die dieselbe Radiance erzeugen würde. Tb ist damit eine radiometrische Temperatur — nicht automatisch die reale Luft- oder Wolkentopptemperatur.
Teilbewölkung und Emissivität mischen warme und kalte Beiträge.
Eine optisch dicke, nahezu schwarze Wolke im IR-Fenster kann Tb näherungsweise an ihre Emissionstemperatur binden. Bei dünnen Wolken, partieller Pixelbedeckung oder geringerer Emissivität mischt sich jedoch wärmere Untergrundstrahlung ein. Das beobachtete Tb wird wärmer und eine naive Höhenableitung unterschätzt die Wolkenhöhe.
Im Wasserdampfkanal ist diese direkte Wolkentopplogik noch problematischer, weil die atmosphärische Gewichtungsfunktion selbst den Beitrag über eine breite Höhenschicht verteilt.
Kanalphysik, Wolkenmischung und Blickgeometrie in einer Szene vergleichen.
Das Lab verwendet ein transparentes Ein-Schicht-Lehrmodell. VIS wird als Lambert-artiger relativer Reflexionsindex behandelt. Die thermischen Kanäle verwenden Planck-Strahlung mit einer festen effektiven Atmosphärenschicht und kanalabhängiger optischer Dicke. Diese Vereinfachung ist bewusst grob, zeigt aber, warum IR-Fenster und WV-Kanal unterschiedlich interpretiert werden müssen.
Hohe Wolken liegen im Satellitenbild nicht exakt über ihrem Bodenpunkt.
Bei schrägem Blick verschiebt sich die scheinbare Lage eines erhöhten Objekts vom Nadirpunkt weg. Im lokalen Flacherd-Lehrfall verwendet das Lab
Zusätzlich wächst die projizierte Pixelstreckung ungefähr wie 1/cos θ. Für echte geostationäre Navigation muss die volle sphärische Satelliten-Erd-Geometrie verwendet werden; die lokale Näherung dient nur der Größenordnung.
Ein realer Satellitenkanal besitzt spektrale Antwortfunktionen, Atmosphäre und Kalibrierung.
Das Lab reduziert den Kanal auf eine einzelne Wellenlänge, eine effektive Atmosphärenschicht und eine optische Dicke. Reale Instrumente integrieren über spektrale Antwortfunktionen; Gase, Aerosole und Wolken erzeugen höhenabhängige Transmission und Emission. Wolkenmasken, Wolkentopphöhen und Feuchteprodukte benötigen deshalb zusätzliche Retrieval-Algorithmen.
Auch VIS-Helligkeit hängt real von anisotroper Streuung, Oberflächentyp, Wolkenmikrophysik und Sensorblick ab. Der verwendete Lambert-Index ist nur ein kontrolliertes Lehrmodell.
Satellitenbilder werden erst durch Kanalphysik und Geometrie meteorologisch interpretierbar.
Der Sensor misst Strahldichte; meteorologische Größen sind Interpretationen oder Retrievals.
Sichtbare Kanäle brauchen Sonnenlicht und reagieren auf Reflexion.
Helligkeitstemperatur ist eine Planck-Inversion, nicht automatisch reale Wolkentemperatur.
Wasserdampfkanäle besitzen breite atmosphärische Gewichtungsfunktionen.
Orbitwahl verändert Zeitauflösung, Blickwinkel und räumliche Abtastung.
Hohe Wolken werden bei schrägem Blick horizontal versetzt dargestellt.
Cross-References
Wie werden Stationsbeobachtungen standardisiert codiert und kompakt auf Wetterkarten dargestellt?