Quelle: TROPOS 28. Juli 2023.

TROPOS-Beteiligung während der gesamten Mission
Der am 22. August 2018 gestartete Satellit umkreiste die Erde fast fünf Jahre lang und lieferte dabei vertikale Profile der horizontalen Windgeschwindigkeit und Rückstreuinformationen über Wolken und Aerosole. TROPOS trug maßgeblich zum großen Erfolg der Mission bei, indem es von Beginn bis zum Ende der Mission weltweit kontinuierliche Referenzmessungen zur Validierung der Wind- und Aerosol-/Wolkenprodukte lieferte. Auch über die Mission hinaus wird sich das TROPOS im Rahmen des Aeolus-DISC-Projekts (Data, Innovation and Science Cluster) engagieren, um die Datenprodukte zu verbessern und die wissenschaftliche Wirkung der Mission zu erhöhen. Das TROPOS war an der Entwicklung des Level-2A-Produkts für die optischen Eigenschaften von Aerosolen beteiligt, überwachte die Datenqualität und unterstützte die externe Validierung mit dem Wissenschaftsteam der europäischen Partner.

Tests am Ende der Lebensdauer
Bevor der Satellit nun zurückkehrt, hat das Aeolus-Team erfolgreich eine Reihe von End-of-Life-Experimenten durchgeführt. Die Forschenden hoffen nun, mit den Ergebnissen dieser Experimente künftige Lidar-Missionen im Weltraum verbessern zu können. Die radiometrische Leistung des Instruments und die Auswirkungen auf Aerosol- und Windprodukte wurden in Zusammenarbeit mit dem Aeolus DISC für jeden Test bewertet.

Vertikale Winde
TROPOS war an einem Experiment beteiligt, bei dem der Laser von seiner nominellen 35-Grad-Diagonalsicht auf eine Nadir-Sicht (Punkt auf der Erdoberfläche direkt unter dem Satelliten) gekippt wurde, um vertikale Winde über Gewitterwolken zu messen. Während vertikale Luftbewegungen im Durchschnitt über großen horizontalen Skalen vernachlässigbar sind, ist diese Annahme in Situationen mit starker Konvektion (z. B. bei tropischen Stürmen) nicht gültig. „Wir sind noch dabei, die vielversprechenden Daten zu analysieren, die während dieses Tests gesammelt wurden, und hoffen, dass wir die Auswirkungen der vertikalen Luftbewegungen quantifizieren können“, sagt Dr. Sebastian Bley vom TROPOS.

ATLID-Test
TROPOS war auch an einem ATLID-Test beteiligt, bei dem der Aeolus-Laser ALADIN so konfiguriert wurde, dass er das ATLID-Lidar, das auf EarthCARE fliegen wird, nachahmt. Dieser Test dient der Vorbereitung auf den kommenden EarthCARE-Satelliten, der ein Lidar-Instrument tragen wird, das dem auf Aeolus sehr ähnlich ist. „Die Erkenntnisse aus der Aeolus-Mission haben uns bei der Vorbereitung der EarthCARE-Mission sehr geholfen. Mit ihren vier Instrumenten auf einer Plattform zur Messung von Aerosolen, Wolken und Strahlung ist sie noch anspruchsvoller als Aeolus“, sagt Dr. Ulla Wandinger vom TROPOS. Das Startfenster für die EarthCARE-Mission ist für April-Juni 2024 geplant. Während des ATLID-Tests überflog Aeolus Leipzig und Mindelo auf den Kapverdischen Inseln, beides Stationen mit bodengestützten Lidar-Instrumenten, die von TROPOS betrieben werden.

Rück- und Ausblick aus TROPOS-Sicht
Wir verfolgen den Wiedereintritt von Aeolus mit gemischten Gefühlen. Einerseits sind wir traurig darüber, dass dieser wunderbare Satellit in den nächsten Tagen in der Erdatmosphäre verglühen wird, andererseits sind wir froh und stolz, dass wir zum Erfolg dieser spannenden Mission beitragen konnten.

Es gibt aber auch Grund, hoffnungsvoll in die Zukunft zu blicken. Unsere Arbeit wird auch dann weitergehen, wenn Aeolus ein letztes Mal als Sternschnuppe den Himmel erhellt. Unsere Kollegen am TROPOS werden im Rahmen des Aeolus-DISC-Projekts weiter an den Aeolus-Daten der letzten fünf Jahre arbeiten, um insbesondere die wiederaufbereiteten Aerosolprodukte zu validieren und neue Anwendungen für die Atmosphärenforschung aufzuzeigen. Darüber hinaus sind wir maßgeblich an den Vorbereitungen für die kommende EarthCARE-Mission beteiligt, die im Sommer nächsten Jahres gestartet werden soll. Im Rahmen des ESA-CARDINAL-Projekts ist das TROPOS führend an der Entwicklung der Prozessoren für das ATLID-Lidar und der Wolkenprodukte für den Multi-Spectral Imager (MSI) beteiligt. Darüber hinaus bereitet sich das TROPOS auf die Validierung der EarthCARE-Messungen mit unseren bodengestützten Messstandorten auf dem gesamten Globus vor.

Über TROPOS
Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 97 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen.

Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit.

Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen – u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 20.500 Personen, darunter 11.500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.

Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,9 Milliarden Euro. Finanziert werden sie von Bund und Ländern gemeinsam. Die Grundfinanzierung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) getragen. Das Institut wird mitfinanziert aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.

Publikationen
Wandinger, U., Floutsi, A. A., Baars, H., Haarig, M., Ansmann, A., Hünerbein, A., Docter, N., Donovan, D., van Zadelhoff, G.-J., Mason, S., and Cole, J.: HETEAC – the Hybrid End-To-End Aerosol Classification model for EarthCARE, Atmos. Meas. Tech., 16, 2485–2510, doi.org/10.5194/amt-16-2485-2023, https://amt.copernicus.org/articles/16/2485/2023/, 2023. Published: 25 May 2023
Diese Forschung wurde von der Europäischen Weltraumorganisation unterstützt (Zuschüsse Nr. 4000112018/14/NL/CT (APRIL) und 4000134661/21/NL/AD (CARDINAL)).

Hünerbein, A., Bley, S., Horn, S., Deneke, H., and Walther, A.: Cloud mask algorithm from the EarthCARE Multi-Spectral Imager: the M-CM products, Atmos. Meas. Tech., 16, 2821–2836, doi.org/10.5194/amt-16-2821-2023, https://amt.copernicus.org/articles/16/2821/2023/, 2023. Published: 07 Jun 2023
Die Forschung wurde von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) finanziert (Förderungsnummer 4000112018/14/NL/CT (APRIL) und 4000134661/21/NL/AD (CARDINAL)). Die Veröffentlichung dieses Artikels wurde durch den Open-Access-Fonds der Leibniz-Gemeinschaft finanziert.

Baars, H., Walchester, J., Basharova, E., Gebauer, H., Radenz, M., Bühl, J., Barja, B., Wandinger, U., and Seifert, P.: Long-term validation of Aeolus L2B wind products at Punta Arenas, Chile and Leipzig, Germany, Atmos. Meas. Tech. Discuss. [preprint], doi.org/10.5194/amt-2022-331, https://amt.copernicus.org/preprints/amt-2022-331/, in review, 2022.
Diese Forschung wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) (Förderkennzeichen 50EE1721C), dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union (ACTRIS-2 unter Förderkennzeichen 654109) und dem Rahmenprogramm Horizont 2020 – Forschung und Innovation der Europäischen Union (ACTRIS PPP, H2020-INFRADEV-575 2016-2017, Förderkennzeichen: 7395302) unterstützt.

Wandinger, U., Haarig, M., Baars, H., Donovan, D., and van Zadelhoff, G.-J.: Cloud top heights and aerosol layer properties from EarthCARE lidar observations: the A-CTH and A-ALD products, EGUsphere [preprint], doi.org/10.5194/egusphere-2023-748, https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-2023-748/, 2023.
Diese Forschung wurde durch die ESA-Zuschüsse 4000112018/14/NL/CT (APRIL) und 4000134661/21/NL/AD (CARDINAL) finanziert.

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Quelle: TROPOS 20. Dezember 2022.

20. Dezember 2022 – Künftige Windsatelliten sollten die vertikale Auflösung erhöhen, um besser die Schwerewellen in den Tropen zu berücksichtigen, schreibt das Team aus Forschenden des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS), der Europäischen Weltraumagentur (ESA), des Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF), der Universität Hamburg und des Google-Unternehmens Loon. Die Studie ist jetzt im Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society erschienen.

Die Qualität von Numerischen Wettermodellen und damit der Wettervorhersage hängt stark von den zur Verfügung stehenden Daten ab. In den letzten Jahrzehnten wurde deshalb ein globales Beobachtungssystem aufgebaut, das auch Windprofile durch Wetterballons, Flugzeugdaten oder Windprofiler-Radarsysteme enthält. Diese Daten stammen jedoch größtenteils aus der dicht besiedelten Nordhemisphäre. In der Südhemisphäre, über den Ozeanen und vor allem in den Tropen ist das Messnetz dagegen immer noch deutlich dünner.

Ein großer Schritt hin zu flächendeckenden Winddaten war deshalb der Start des ersten Wind-Satelliten Aeolus der Europäischen Weltraumagentur (ESA) am 22. August 2018. Dieser neuartige Satellit hat mit dem Atmospheric Laser Doppler Instrument (ALADIN) einen starken Laser an Bord. ALADIN ist das erste Doppler-Wind-Lidar im Weltraum, das Profile der horizontalen Windgeschwindigkeit von der Erdoberfläche oder vom Oberrand dicker Wolken bis zu einer Höhe von etwa 30 km auf globaler Ebene liefert. Dazu sendet der Satellit beim Umlauf um die Erde kurze ultraviolette Laserimpulse aus. Ein kleiner Teil dieser Lichtpulse wird von Luftmolekülen, Aerosolen und Wolken zurück zum Satelliten gestreut und dort im Detektor gesammelt und verarbeitet. Für eine Umrundung der Erde benötigt Aeolus 90 Minuten, innerhalb einer Woche erfasst der Satellit so Winddaten um die ganze Erde. Diese Daten werden von Wettervorhersagezentren aus der ganzen Welt assimiliert, um ihre Vorhersagen zu verbessern. Da es bisher keine vergleichbaren Satellitenmissionen gab, werden die Daten besonders kritisch überprüft und mit anderen Windmessungen verglichen.

Eine jetzt veröffentlichte Studie nutzte zum Vergleich Daten von 229 Stratosphärenballons des Loon-Projekts zwischen Juli 2019 und Dezember 2020 aus dem tropischen Lateinamerika, Atlantischem Ozean, Afrika und Indischem Ozean. Loon war ein kommerzielles Projekt, das abgelegene Regionen mit einem Internetzugang über Heliumballons in der Stratosphäre versorgt hatte. Die Ballons mit einem Durchmesser von etwa 12 Metern fungierten dabei als schwebende Mobilfunkstation in Höhen von 16 bis 20 Kilometern über dem Erdboden. Damit das Netz funktioniert, mussten sie die Windrichtung durch Ändern der Höhe automatisch korrigieren. Dadurch entstand ein umfangreicher Datensatz zu den Windgeschwindigkeiten in diesen Atmosphärenschichten, welcher einen Teil der Lücke an Winddaten in dieser Höhe im globalen Beobachtungssystem schließt. Das Loon-Projekt wurde 2021 aus wirtschaftlichen Gründen eingestellt, für die Atmosphärenforschung jedoch bleibt ein höchst interessanter Datensatz zurück.

„Unsere Analyse bestätigt, dass der Satellit Aeolus in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre nahezu fehlerfreie Windmessungen liefert. Das aktuelle Wettermodell des ECWMF unterschätzt dagegen die Windgeschwindigkeit dort systematisch um ca. 1 Meter pro Sekunde, was durch die Daten von Aeolus und Loon nachgewiesen werden konnte. Diese Ergebnisse sind wichtig, um dynamische Prozesse in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre besser zu verstehen und um die Wettermodelle weiter zu verbessern“, unterstreicht Dr. Sebastian Bley vom TROPOS, der für die Studie bei der ESA im italienischen Frascati gearbeitet hat. Eine weitere Empfehlung der Forschenden ist es, mehr vertikale Messungen durchzuführen, um mehr Windinformationen in den atmosphärischen Schichten liefern zu können. Das könnte die Genauigkeit kommender Windsatelliten weiter verbessern. Neben der Windgeschwindigkeit liefert Aeolus auch Informationen über Aerosole und Wolken, allerdings nur über einen Teil des zurückgestreuten Lichts. „Wir hoffen, dass von künftigen Windmissionen auch die Depolarisation gemessen werden kann, also die Drehung des Lichts bei Reflexion. Das wäre ein Meilenstein, weil der Satellit dann auch mehr Informationen über Aerosole liefern könnte“, erklärt Bley.

Aeolus wurde als Explorer-Mission mit einer erwarteten Lebenszeit von 3 Jahren entwickelt, um die Technologie eines Doppler-Wind-Lidars im All zu testen. Die Erwartungen wurden jedoch übertroffen, Aeolus liefert nun seit bereits über 4 Jahren wertvolle Daten. Die Winddaten werden inzwischen in den Wettervorhersagen von mehreren Wetterdiensten in ganz Europa wie z.B. dem Deutschen Wetterdienst (DWD) genutzt und konnten durch ihren positiven Einfluss auf die Wettervorhersagequalität überzeugen. Das weitere Vorgehen für die Nachfolgemission Aeolus-2 wurde kürzlich auf der ESA-Ministerkonferenz beschlossen und wird von ESA und EUMETSAT gemeinsam entwickelt.

Im September hatten Forschende aus den USA probehalber Aeolus-Daten in das Hurrikane-Modell (HWRF) der US-Wetter- und Ozeanografiebehörde NOAA integriert, um tropische Stürme besser vorherzusagen. Ihr Fazit: Die Nutzung von Aeolus-Winddaten sei dort am wirksamsten, wo es keine Aufklärungsflüge in die Hurrikane gibt und könnte deshalb die größten positiven Auswirkungen auf die Vorhersage tropischer Wirbelstürme im Pazifik und im Indischen Ozean haben.

Mit diesen beiden neuen Studien aus den Tropen steigen die Chancen, dass Aeolus-Daten auch außerhalb von Europa genutzt werden und eine Nachfolgemission die Wettervorhersagen verbessern könnte.

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Quelle: TROPOS.

Leipzig. Der Rauch der extremen Waldbrände im September 2020 an der US-Westküste zog über viele Tausend Kilometer bis nach Leipzig, wo er noch Tage danach die Atmosphäre beeinflusste. Ein Vergleich von Boden- und Satellitenmessungen zeigt jetzt: Das Waldbrandaerosol trübte die freie Troposphäre über Leipzig so stark wie nie zuvor. Eine Auswertung eines internationalen Forschungsteams unter Leitung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) ergab am 11.09.2020 eine außergewöhnliche optische Dicke, die das Sonnenlicht um ein Drittel abgeschwächt hat.

Die in den Geophysical Research Letters erschienene Untersuchung ist die erste Publikation, die durch den Vergleich mit Lidar-Messungen vom Boden aus zeigen konnte, dass der neuartige ESA-Satellit Aeolus neben Wind auch Aerosole in der Atmosphäre zuverlässig messen kann. An der Studie waren das Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM) der Universität Toulouse, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) beteiligt.

Seit August 2018 kreist ein neuartiger Forschungssatellit um die Erde, der nach einem griechischen Windgott benannt ist. Ziel von Aeolus ist es, aktiv Wind vom All aus zu messen und so die Wettervorhersage zu verbessern. An Bord dieses Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) befindet sich mit dem „Atmospheric Laser Doppler Instrument“ (ALADIN) ein Hochleistungslaser. ALADIN ist das erste Instrument im Weltraum, das aktiv vertikale Profile der Windgeschwindigkeit messen kann. Genutzt wird dabei das Prinzip eines Lichtradars (kurz: Lidar von „LIght Detection And Ranging“). Ein Signal wird abgestrahlt und die Reflexion gibt Auskunft über Ort und Entfernung. Der Dopplereffekt wird dann genutzt um die Windgeschwindigkeit in den verschiedenen Höhen der Atmosphäre zu messen. Um die Laser-Messungen im All zu validieren, werden sie mit Laser-Messungen vom Boden aus verglichen. Dabei sind mehrere Forschungsgruppen aus Deutschland im Rahmen der EVAA-Initiative (Experimental Validation and Assimilation of Aeolus observations) beteiligt. TROPOS beispielsweise misst mit seinen Lidar-Geräten jeden Freitagabend und Sonntagmorgen, wenn der Aeolus-Satellit über Leipzig fliegt. Anschließend können dann die Daten von Boden und All verglichen werden. Am 11. September 2020 ergab sich so die seltene Konstellation, dass die mächtige Rauchfahne der kalifornischen Waldbrände über Leipzig vom Boden und aus dem All gleichzeitig vermessen werden konnte.

„Aeolus ist derzeit der einzige Satellit weltweit, welcher mit revolutionärer Lasertechnologie sowohl Profile der horizontalen Windgeschwindigkeit als auch die Rückstreuung und Extinktion von Aerosolen und Wolken unabhängig voneinander messen kann. Damit liefert der Satellit wertvolle Informationen über die Strahlungseigenschaften dieser Rauchaerosole“, betont Dr. Sebastian Bley vom TROPOS, der die vergangenen drei Jahre am Forschungszentrum ESRIN der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) im Aeolus-Projekt mitwirkte. „Es wird erwartet, dass diese einzigartige Konfiguration zu verbesserten Vorhersagen solcher globaler Rauchausbreitung aber auch allgemein des Wetters beiträgt.“

Im September 2020 gelangte der Rauch der extremen Waldbrände an der US-Westküste durch die hohen Temperaturen bis in große Höhen und wurde dann mit dem Jetstream über Nordamerika und den Atlantik bis nach Europa transportiert. In Leipzig tauchte die Rauchschicht am Morgen des 11.09.2020 in rund 12 Kilometer Höhe auf und sank im Laufe des Tages auf rund 5 Kilometer Höhe ab. Das zeigen die Daten des PollyXT-Lidars am TROPOS. Lidar-Messungen in Leipzig bestätigten die starke Trübung des Sonnenlichts an diesem Freitag: „Es war – gemessen an der Aerosol Optische Dicke (AOT) – die stärkste Beeinflussung der freien Troposphäre, also die Region der Atmosphäre in welcher sich das Wetter abspielt aber der direkte Einfluss vom Boden gering ist, die jemals in Leipzig seit Beginn der regelmäßigen Lidar-Beobachtungen im Jahr 1997 durch Waldbrandaerosol beobachtet wurde“, berichtet Dr. Holger Baars vom TROPOS. „Wir konnten eine mittlere Massenkonzentration des Waldbrandaerosol von 8 Mikrogramm pro Kubikmeter zwischen 4 und 11 km Höhe abschätzen. In der Spitze waren es sogar 22 Mikrogramm pro Kubikmeter – das ist für diese Höhen schon beachtlich.“ Der Samstag und Sonntag waren trotz wolkenlosem Himmel trübe Tage. Wie stark die Rauchschichten die Sonneneinstrahlung in Sachsen dämpften, zeigte u.a. auch der UV-Index des Bundesamts für Strahlenschutz (BfS): Die TROPOS-Station in Melpitz bei Torgau registrierte am 12.09.20 mittags ca. ein Viertel weniger UV-Strahlung als bei wolkenlosem Himmel möglich gewesen wäre. Besonders einprägsam zeigte sich der außergewöhnliche Zustand der Atmosphäre bei Sonnenuntergang mit einem markanten milchig-gelben Licht.

Per Computermodell konnten die Forschenden die Herkunft des Rauchs bestätigen: Die Rückwärtssimulation beweist, dass die Luftmassen, die am Mittag des 11. September in 8,5 km Höhe über Leipzig eintrafen, von der Westküste Nordamerikas stammten, wo Tage zuvor intensive Brände stattfanden. Die Häufigkeit und Stärke der Brände in Kalifornien nahm in der ersten Septemberwoche weiter zu. Etwas schwächere Brände wurden in Oregon, Washington und Montana beobachtet. „Aufgrund der vorherrschenden Winde betrug die Reisezeit des Rauchs von der US-Westküste nach Europa nur rund 3 bis 4 Tage. Die rund 3000 Kilometer über den Atlantischen Ozean zwischen Neufundland und Irland schafften die Luftmassen mit Hochgeschwindigkeit sogar an nur einem Tag (9. September)“, erklärt Martin Radenz vom TROPOS.

Erdbeobachtungssatelliten sind in den letzten Jahrzehnten zu einem wichtigen Instrument der Umweltforschung geworden, die den Klimawandel global dokumentieren. Der Bedarf an kontinuierlichen Daten einerseits und die begrenzte Lebenszeit von Satelliten anderseits stellt die Forschung jedoch vor große Herausforderungen: „Die Messung des Lidar-Verhältnisses (ein Maß für das Rückstreuverhalten und damit ein Hinweis auf den Aerosoltyp) mit Aeolus direkt aus dem Weltraum ist ein Novum und katapultiert die Forschung zu Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in eine neue Ära“, unterstreicht Dr. Ulla Wandinger. „Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass Aeolus teilweise in der Lage ist, die Lücke zwischen der auslaufenden CALIPSO-Mission der NASA und der kommenden EarthCARE-Mission zu schließen.“ EarthCARE ist eine japanisch-europäische Gemeinschaftsmission, die die Wirkungen von Wolken und Aerosol-Partikeln auf den Strahlungshaushalt der Erde untersuchen will. Der Start des Satelliten ist für Anfang 2023 geplant. „Aeolus wurde zur Windmessung konzipiert. Dass er auch Daten zu Partikeln liefert, ist ein sehr willkommenes Nebenprodukt. In Situationen, wo die Zusammensetzung der Aerosolschichten weniger eindeutig ist, wäre es aber hilfreich, auch die Polarisation messen zu können. Da das Laserlicht bei der Reflexion auf Mineralstaub, Vulkanasche oder Waldbrand-Aerosol unterschiedlich gedreht wird, lässt sich so besser bestimmen, woher die Partikel stammen, die die Sonnenstrahlung und die Wolkenbildung beeinflussen. EarthCARE (Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer) wird dies können. Wir drücken daher auch für diesen Satelliten fest die Daumen“, sagt Dr. Ulla Wandinger. Tilo Arnhold.

Publikation:
Baars, H., Radenz, M., Floutsi, A. A., Engelmann, R., Althausen, D., Heese, B., Ansmann, A., Flamant, T., Dabas, A., Trapon, D., Reitebuch, O., Bley, S., Wandinger, U. (2021). Californian Wildfire Smoke Over Europe: A First Example of the Aerosol Observing Capabilities of Aeolus Compared to Ground-Based Lidar. Geophysical Research Letters, 48, e2020GL092194. & The Promise of Spaceborne High Spectral Resolution Lidar

Die Untersuchungen wurden gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi, Förderkennzeichen 50EE1721C), der Europäischen Union durch das Horizon-2020-Programm (ACTRIS-2, Förderkennzeichen 654109) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Förderkennzeichen 01LK1603A).

Über das Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS)
Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 96 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen.
Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit.
Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen – u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 20.000 Personen, darunter 10.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.
Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,9 Milliarden Euro. Finanziert werden sie von Bund und Ländern gemeinsam. Die Grundfinanzierung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) getragen. Das Institut wird mitfinanziert aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.

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• DWD: Winddaten von Aeolus verbessern Wettervorhersage (19. Mai 2020)
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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Arianespace, Astrium, CSG, DLR, ESA, SBFI.

Gestartet wurde um 18:20 Uhr und 9 Sekunden Ortszeit am 22. August 2018, das war 21:20 Uhr und 9 Sekunden Uhr UTC bzw. 23:20 Uhr und 9 Sekunden MESZ. Zunächst sorgte die erste Stufe der beim Start rund 139 Tonnen schweren, 30 Meter hohen Rakete mit einem Feststoffmotor des Typs P80 für Geschwindigkeits- und Höhengewinn. Sie wurde eine Minute und 54 Sekunden nach dem Abheben abgetrennt.

Danach folgten die planmäßigen Einsätze der Feststoffmotoren ZEFIRO 23 in der zweiten Stufe und ZEFIRO 9 in der dritten Stufe der Rakete. Die zweite Stufe hatte drei Minuten und 37 Sekunden nach dem Abheben ihre Arbeit erledigt, die dritte Stufe sechs Minuten und 30 Sekunden nach dem Abheben. Drei Minuten und 56 Sekunden nach dem Abheben war die Nutzlastverkleidung abgetrennt worden, die ADM-Aeolus beim Aufstieg durch die dichteren Schichten der Erdatmosphäre geschützt hatte.

Anschließend war es Aufgabe der vierten, auf Technik aus der Ukraine basierenden, AVUM für Attitude Vernier Upper Module genannten Stufe, mit ihrem auf dem ukrainischen RD-869-Motor basierenden VG-143-Triebwerk die Voraussetzungen für das Aussetzen des transportierten Satelliten zu schaffen. Nach rund 55 Minuten Flugzeit und zwei VG-143-Brennphasen wurde ADM-Aeolus vom Nutzlastadapter mit einer Masse von rund 77 Kilogramm abgetrennt und ausgesetzt. Die Bahnverfolgungsstation Troll in der Antarktis empfing erste Signale von ADM-Aeolus gegen 0:30 Uhr MESZ am 23. August 2018.

ADM-Aeolus dient der globalen Beobachtung von Wind-Profilen über dem ganzen Planeten Erde. Der Satellit soll Daten, insbesondere für dreidimensionale Karten, liefern, die helfen, die Qualität von Wettervorhersagen zu verbessern und der Unterstützung bei der Klimaforschung dienen. Man erwartet sich eine erhebliche Verbesserung der mittelfristigen Wettervorhersage, also der Prognosen für einen Zeitraum von bis zu 15 Tagen. Beobachten will man in der Troposphäre und der unteren Stratosphäre bis in eine Höhe von 30 Kilometern über der Erde.

Der reinrassige Windforschungssatellit mit Lasertechnik an Bord besitzt als einziges Instrument ein Doppler Wind Lidar namens ALADIN. ALADIN steht für Atmospheric LAser Doppler Instrument. Das Außergewöhnliche an dem Instrument mit einer Gesamtmasse von rund 450 Kilogramm und einem durchschnittlichen Strombedarf von 830 Watt ist, dass ALADIN mit Impulsen eines Ultraviolett-Lasers arbeitet. Die verwendete durch Frequenzverdreifachung erreichte Wellenlänge beträgt 355 Nanometer, die Energie der ausgestrahlten Pulse jeweils 60 mJ.

Pulse des Laserlichts, die vom Satelliten Richtung Erde geschickt werden, werden in der Atmosphäre auf unterschiedliche Art Richtung Weltraum zurückgeworfen. An Bord des Satelliten gibt es ein großes Cassegrain-Teleskop (f 0,9) mit einem Durchmesser von rund 1,5 Metern und einer Masse von rund 55 Kilogramm. Es besitzt keinen besonderen Fokusierungsmechanismus, verfügt aber über Heizelemente, über die der Fokus korrigiert werden kann.

Das Teleskop mit Spiegeln aus gesintertem Siliziumkarbid (Sintered Silicon Carbide, S-SiC) ist in der Lage, von Molekülen, Aerosolen, Staub und anderen Partikeln in der Atmosphäre zurückgestrahltes Laserlicht zu erfassen. Hoch empfindliche Detektoren eines zweikanaligen Empfängers mit Fabry–Pérot-Interferometern für den Raleigh-Kanal (Detection Frontend Unit 1, DFU1) und Fizeau-Interferometer für den Mie-Kanal (Detection Frontend Unit 2, DFU2) sowie eine intelligente Auswerteelektronik können an Hand der Doppler-Verschiebung anschließend bestimmen, in welcher Höhe in der Atmosphäre die Reflektion des Laserlichts erfolgte.

Die erzielbare vertikale Auflösung von ALADIN bewegt sich zwischen 250 Metern und zwei Kilometern, die horizontalen Mittelung liegt bei 87 Kilometer im Abstand von rund 237 Kilometern. Der Beginn zweier jeweils 87 Kilometer langer, in sieben Sekunden Flugzeit abzutastender Beobachtungsabschnitte liegt also jeweils 237 Kilometer, oder rund 28 Sekunden Flugzeit, auseinander. Die Lücken in der Abtastung sind also rund 150 Kilometer bzw. 21 Sekunden lang.

Pro Stunde wird das Instrument Daten für etwa 100 Windprofile erfassen können. Die Genauigkeit bei der Bestimmung der Windgeschwindigkeit liegt dabei im Bereich zwischen einem und zwei Metern pro Sekunde.

ADM-Aeolus wurde von Airbus als Hauptauftragnehmer auf Basis eines von der Mars-Sonde Mars Express abgeleiteten Satellitenbus mit einer Leermasse von rund 650 Kilogramm integriert und besitzt eine Startmasse von rund 1,4 Tonnen – nach Angaben der ESA von 1.360 Kilogramm, nach Angaben des Trägerraketenbetreibers Arianespace von 1.357 Kilogramm (Centre Spatial Guyanais/CSG: 1.366 Kilogramm).

ALADIN wurde von Airbus SAS im französischen Toulouse zusammengesetzt, der Satellitenbus bei Airbus Ltd. in Stevenage in Großbritannien. Die Hochzeit von ALADIN und dem Satellitenbus erfolgte im Oktober 2016 in Stevenage, anschließende Tests z.B. auf einem Schütteltisch, bei Intespace in Toulouse und in einer Thermalvakuumkammer des Centre Spatial de Liège (CSL) in Lüttich in Belgien.

Die Auslegungsbetriebsdauer des neuen Erdtrabanten beträgt drei Jahre nach Abschluss einer dreimonatigen Inbetriebnahmephase. Geplant ist, dass der Satellit innerhalb der drei Jahre rund 4,7 Milliarden Laserimpulse abfeuert. Der vorgesehene sonnensynchrone, 96,97 Grad gegen den Erdäquator geneigte Arbeitsorbit liegt in rund 320 Kilometern Höhe über der Erde. Pro Tag umrundet ADM-Aeolus die Erde rund 16 mal, braucht also für einen Orbit 90 Minuten. Alle 111 Umkreisungen oder alle 7 Tage überfliegt der Satellit die gleiche Region am Erdboden.

Die RUAG Space Schweiz baute die Satellitengrundstruktur von ADM-Aeolus. Weitere Beiträge des schweizer Unternehmens sind eine Umschalteinheit, die es ermöglicht, zwischen den beiden redundanten Lasersystemen an Bord umzuschalten, und ein Verschlusssystem, das mit einer Klappe die Empfängeroptik im Satelliten immer dann abdeckt, wenn gerade ein Laserimpuls abgeschickt wird. Auf Grund der Laser-Impulsdauer muss die Abdeckklappe dabei mit einer Frequenz von 100 Hertz bewegt werden.

Damit keine durch das Laserlicht verursachten dauerhaften Partikel-Verschmutzungen (Laser Induced Contamination, LIC) in den optischen Systemen entstehen, bekam der Satellit ein System zur permanenten Spülung mit Sauerstoff spendiert. Ein über die Betriebsdauer des Satelliten aufrecht zu erhaltene Sauerstoffatmosphäre mit niedrigem Druck im Bereich von etwa 40 Pascal wird von zwei redundanten 30-Liter-Druchbehältern gespeist. Die Dosierung erfolgt über ITAR-freie Ventiltechnik von Marotta Controls aus Montville im US-Bundesstaat New Jersey. Der Sauerstoffstrom liegt dabei etwa in der Größenordnung vom dem, was eine kleine Topfpflanze auf der Fensterbank kontinuierlich erzeugen kann.

Die schweizer Connova AG (ehemals Brühlmeier Modellbau AG) ist Hersteller der Primärstruktur von ALADIN. Die Neodym-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Impulslasersysteme sind eine Konstruktion der Galileo Avionica S.p.A. aus Italien. Thales Laser Diodes stellte die Laserdioden zur Verfügung, und die Thales Alenia Space Schweiz AG steuerte die Mie- und Rayleigh Spektrometer für ALADIN bei.

Die eigentliche Sende- und Empfangsoptik für den UV-Laserstrahl ist eine Entwicklung der OHB System AG München. Von der Syderal SA aus der Schweiz kommt die Elektronik zur Steuerung von ALADIN und das Datenmanagement für die wissenschaftlichen Daten an Bord. Die Tesat-Spacecom GmbH aus Backnang lieferte Referenzlaser für ALADINs Reference Laser Heads (RLHs) und das Kommunikationssystem.

Die Weiterverarbeitung der Daten von ADM-Aeolus am Boden erfolgt nach dem Empfang durch die Bodenstation Svalbard in Norwegen (insbesondere auf 8.040 Megahertz im X-Band mit einer Datenrate von 10 Mbps) und einer Vorverarbeitung im norwegischen Tromsø im Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW, auch European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF) im englischen Reading, das die Daten auch europäischen Wetterdiensten zur Verfügung stellen wird, und in ESAs Europäischem Weltraumforschungsinstitut (European Space Research Institute, ESRIN) im italienischen Frascati.

Zwei Solarzellenausleger versorgen ALADIN und die raumflugtechnischen Systeme von ADM-Aeolus mit elektrischer Energie – bei Betriebsende des Satelliten sollen sie zusammen noch rund 2.200 Watt bereitstellen können. Jeder der Ausleger mit Triple-Junction-Galliumarsenid-Zellen besteht aus drei je 1,1 x 2,2 Meter messenden Paneelen. Die Gesamtfläche der Ausleger beträgt zusammen rund 14,5 Quadratmeter. Zur Stromspeicherung gibt es an Bord einen Lithiumionenakkumulatorensatz mit einer Kapazität von 64 Amperestunden.

Struktur und Mechaniken der Solarzellenausleger basieren auf einem Konzept namens FRED von Dutch Space aus den Niederlanden. Auf FRED basierende Ausleger wurden zuvor z.B. vom Automated Transfer Vehicle (ATV) und dem Galileo-Testsatelliten GIOVE-A verwendet. Für die Rotation der Ausleger von ADM-Aeolus um 45 Grad und eine anschließende Verriegelung wurden besondere Solarzellenauslegerrotationsmechanismen (Solar Array Rotation Mechanisms, SARMs) entwickelt.

Der Lageregelung und Ausrichtung von ADM-Aeolus dienen vier Reaktionsräder, von den drei für den normalen Regelbetrieb benötigt werden, sowie drei sogenannte magnetic torquers (MTQs), die mit dem Erdmagnetfeld interagieren können, als kalte Reserve. Außerdem können bedarfsweise zehn je fünf Newton starke Hydrazin aus zwei jeweils 132 Liter fassenden Oberflächenspannungstanks zersetzende Triebwerke eingesetzt werden.

Überwacht und gesteuert wird ADM-Aeolus vom Europäischen Satellitenkontrollzentrum (European Space Operations Centre, ESOC) in Darmstadt, wo ein dedizierter Kontrollraum eingerichtet werden sollte. Die notwendige Kommunikation dafür erfolgt über die Bodenstation Salmijärvi (Kiruna). Der Kommandouplink zum Raumfahrzeug läuft mit einer Datenrate von 2 Kbps im S-band auf 2.030 Megahertz, der Telemetriedownlink mit 8 Kbps auf 2.205 Megahertz.

ADM-Aeolus alias Earth Explorer 4 aus ESAs Living Planet Programm ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 43.600 und als COSPAR-Objekt 2018-066A.

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