Quelle: ESA / Science & Exploration / Space Science / Webb, 25. März 2026

Durch Beobachtungen in sich ergänzenden Wellenlängen liefern Webb und Hubble den Wissenschaftlern ein umfassenderes und vielschichtigeres Verständnis der Atmosphäre des Gasriesen. Beide erfassen das von den gestreiften Wolken und dem Dunst des Saturn reflektierte Sonnenlicht, doch während Hubble subtile Farbunterschiede auf dem gesamten Planeten sichtbar macht, erfasst Webbs Infrarotbild Wolken und chemische Stoffe in vielen verschiedenen Tiefen der Atmosphäre – von den tiefen Wolken bis hin zur dünnen oberen Atmosphäre. Gemeinsam können Wissenschaftler die Atmosphäre des Saturn in verschiedenen Höhen effektiv „durchschneiden“, als würden sie die Schichten einer Zwiebel abziehen. Jedes Teleskop erzählt einen anderen Teil der Geschichte des Saturn, und die Beobachtungen zusammen helfen den Forschern zu verstehen, wie die Atmosphäre des Saturn als zusammenhängendes dreidimensionales System funktioniert.

Das hier gezeigte Hubble-Bild wurde im August 2024 im Rahmen eines mehr als zehn Jahre andauernden Beobachtungsprogramms namens OPAL (Outer Planet Atmospheres Legacy) aufgenommen, während das Webb-Bild einige Monate später im Rahmen der „Director’s Discretionary Time“ entstanden ist.

Die neu veröffentlichten Bilder zeigen Merkmale der turbulenten Atmosphäre des Saturn. Auf dem Webb-Bild schlängelt sich ein langlebiger Jetstream, bekannt als „Ribbon Wave“, über die nördlichen mittleren Breiten, beeinflusst von ansonsten nicht nachweisbaren atmosphärischen Wellen. Direkt darunter stellt ein kleiner Fleck einen verbleibenden Rest des „Great Springtime Storm“ von 2011 bis 2012 dar. Auch mehrere andere Stürme, die die südliche Hemisphäre des Saturn übersäen, sind auf Webbs Bild zu sehen. All diese Merkmale werden von starken Winden und Wellen unterhalb der sichtbaren Wolkendecke geformt, was den Saturn zu einem natürlichen Labor für die Erforschung der Strömungsdynamik unter extremen Bedingungen macht.

Auf beiden Bildern sind auch einige der spitzen Kanten des ikonischen, sechseckigen Jetstreams am Nordpol des Saturn, der 1981 von den Voyager-Sonden entdeckt wurde, schwach zu erkennen. Es bleibt eines der faszinierendsten Wetterphänomene des Sonnensystems. Seine Beständigkeit über Jahrzehnte hinweg unterstreicht die Stabilität bestimmter großräumiger atmosphärischer Prozesse auf Riesenplaneten. Dies sind wahrscheinlich die letzten hochauflösenden Aufnahmen, die wir von dem berühmten Sechseck bis in die 2040er Jahre sehen werden, da der Nordpol in den Winter eintritt und für 15 Jahre in Dunkelheit versinken wird.

In Webbs Infrarotaufnahmen erscheinen die Pole des Saturn deutlich graugrün, was auf Licht hinweist, das bei Wellenlängen um 4,3 Mikrometer emittiert wird. Dieses charakteristische Merkmal könnte von einer Schicht hochgelegener Aerosole in der Saturnatmosphäre stammen, die das Licht in diesen Breitengraden anders streut. Eine weitere mögliche Erklärung ist die Polarlichtaktivität, da geladene Moleküle, die mit dem Magnetfeld des Planeten interagieren, in der Nähe der Pole leuchtende Emissionen erzeugen können. Hubble und Webb haben bereits die Polarlichter des Saturn erforscht, Einblicke in die spektakulären Polarlichter des Jupiter geliefert, die auch mit Hubble zu sehen waren, die 2011 von Hubble erhaschten Polarlichter des Uranus bestätigt und mit Webb erstmals die Polarlichter des Neptun entdeckt.

Auf Webbs Infrarotaufnahme erscheinen die Ringe extrem hell, da sie aus stark reflektierendem Wassereis bestehen. Auf beiden Aufnahmen sehen wir die sonnenbeschienene Seite der Ringe, auf der Hubble-Aufnahme etwas weniger deutlich, weshalb darunter Schatten auf dem Planeten zu sehen sind. Es gibt auch subtile Ringmerkmale wie Speichen und Strukturen im B-Ring (dem dicken zentralen Bereich der Ringe), die bei den beiden Observatorien unterschiedlich erscheinen. Der F-Ring, der äußerste Ring, sieht auf dem Webb-Bild dünn und scharf aus, während er auf dem Hubble-Bild nur leicht leuchtet.

Die Umlaufbahn des Saturn um die Sonne bestimmt in Verbindung mit der Position der Erde auf ihrer jährlichen Umlaufbahn unseren sich verändernden Blickwinkel auf die Oberfläche und die Ringe des Saturn. Diese Beobachtungen aus dem Jahr 2024, die im Abstand von 14 Wochen aufgenommen wurden, zeigen, wie sich der Planet vom nördlichen Sommer in Richtung der Tagundnachtgleiche 2025 bewegt. Während Saturn in den südlichen Frühling und später in den südlichen Sommer der 2030er Jahre übergeht, werden Hubble und Webb zunehmend bessere Einblicke in diese Hemisphäre erhalten.

Hubbles jahrzehntelange Beobachtungen des Saturn haben eine Aufzeichnung seiner sich entwickelnden Atmosphäre geschaffen. Programme wie OPAL mit ihrer jährlichen Überwachung haben es Wissenschaftlern ermöglicht, Stürme, Streifenmuster und saisonale Veränderungen im Laufe der Zeit zu verfolgen. Webb ergänzt diese fortlaufende Aufzeichnung nun um leistungsstarke Infrarot-Fähigkeiten und erweitert damit die Möglichkeiten der Forscher, die atmosphärische Struktur und die dynamischen Prozesse des Saturn zu messen.

Weitere Informationen
Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop unter Einsatz der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Anpassungen der Ariane 5 für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den Hauptspektrografen NIRSpec sowie 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI bereit, das von einem Konsortium staatlich finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entwickelt und gebaut wurde. Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

Das Hubble-Weltraumteleskop ist seit über drei Jahrzehnten in Betrieb und liefert weiterhin bahnbrechende Entdeckungen, die unser grundlegendes Verständnis des Universums prägen. Hubble ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen der ESA und der NASA.

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• Planet Saturn

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Quelle: NASA, 9. Januar 2026

Mit an Bord sind zwei schuhkartongroße Satelliten namens BlackCAT (Black Hole Coded Aperture Telescope) und SPARCS (Star-Planet Activity Research CubeSat), mit denen die NASA innovative und ehrgeizige wissenschaftliche Missionen durchführt, die mit kostengünstigen, kreativen Ansätzen Fragen wie „Wie funktioniert das Universum?“ und „Sind wir allein?“ beantworten sollen.

„Das Ziel von Pandora ist es, die atmosphärischen Signale von Planeten und Sternen mithilfe von sichtbarem und nahinfrarotem Licht zu entwirren“, sagte Elisa Quintana, Pandoras Hauptforscherin am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Diese Informationen können Astronomen dabei helfen, festzustellen, ob die entdeckten Elemente und Verbindungen vom Stern oder vom Planeten stammen – ein wichtiger Schritt bei der Suche nach Anzeichen von Leben im Kosmos.“

BlackCAT und SPARCS sind kleine Satelliten, die das vergängliche, hochenergetische Universum bzw. die Aktivität von Sternen mit geringer Masse untersuchen werden.
Pandora wird Planeten beobachten, wenn sie aus unserer Perspektive vor ihren Sternen vorbeiziehen, ein Ereignis, das als Transit bezeichnet wird.
Wenn Sternenlicht die Atmosphäre eines Planeten durchdringt, interagiert es mit Substanzen wie Wasser und Sauerstoff, die charakteristische Wellenlängen absorbieren und dem Signal ihre chemischen Fingerabdrücke hinzufügen.
Aber während nur ein kleiner Teil des Sternenlichts den Planeten streift, sammeln Teleskope auch den Rest des Lichts, das von der dem Stern zugewandten Seite ausgestrahlt wird. Sternoberflächen können hellere und dunklere Bereiche aufweisen, die im Laufe der Zeit wachsen, schrumpfen und ihre Position verändern, wodurch Signale aus planetarischen Atmosphären unterdrückt oder verstärkt werden. Erschwerend kommt hinzu, dass einige dieser Bereiche möglicherweise dieselben Chemikalien enthalten, die Astronomen in der Atmosphäre des Planeten zu finden hoffen, wie beispielsweise Wasserdampf.
All diese Faktoren machen es schwierig, mit Sicherheit zu sagen, dass wichtige nachgewiesene Moleküle ausschließlich vom Planeten stammen.
Pandora wird zur Lösung dieses Problems beitragen, indem es im ersten Jahr mindestens 20 Exoplaneten und ihre Muttersterne eingehend untersucht. Der Satellit wird jeden Planeten und seinen Stern zehnmal beobachten, wobei jede Beobachtung insgesamt 24 Stunden dauert. Viele dieser Welten gehören zu den über 6.000 Planeten, die von Missionen wie dem TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) der NASA entdeckt wurden.

Hier können Sie hochauflösende Bilder aus dem Scientific Visualization Studio der NASA herunterladen.

Pandora wird sichtbares und nahes Infrarotlicht mit einem neuartigen, vollständig aus Aluminium gefertigten 17 Zoll (45 cm) breiten Teleskop sammeln, das gemeinsam vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien und Corning Incorporated in Keene, New Hampshire, entwickelt wurde. Der Nahinfrarotdetektor von Pandora ist ein Ersatzteil, das für das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA entwickelt wurde.

Jede lange Beobachtungsperiode wird das Licht eines Sterns sowohl vor als auch während eines Transits erfassen und dabei helfen, festzustellen, wie sich die Oberflächenmerkmale von Sternen auf die Messungen auswirken.
„Diese intensiven Untersuchungen einzelner Systeme sind bei Missionen mit hoher Nachfrage wie Webb nur schwer zu planen“, sagte Ingenieur Jordan Karburn, stellvertretender Projektleiter von Pandora in Livermore. „Außerdem sind simultane Messungen in mehreren Wellenlängen erforderlich, um das Signal des Sterns von dem des Planeten zu unterscheiden. Die langen Beobachtungen mit beiden Detektoren sind entscheidend, um die genaue Herkunft von Elementen und Verbindungen zu ermitteln, die Wissenschaftler als Indikatoren für potenzielle Bewohnbarkeit betrachten.“

Pandora ist der erste Satellit, der im Rahmen des Astrophysics Pioneers-Programms der Behörde gestartet wird, dessen Ziel es ist, spannende Astrophysik zu geringeren Kosten zu betreiben und gleichzeitig die nächste Generation von Führungskräften in der Weltraumwissenschaft auszubilden.
Nach dem Start in die niedrige Erdumlaufbahn wird Pandora einen Monat lang in Betrieb genommen, bevor er seine einjährige Hauptmission antritt. Alle Daten der Mission werden öffentlich zugänglich sein.
„Die Pandora-Mission ist ein mutiges neues Kapitel in der Erforschung von Exoplaneten”, sagte Daniel Apai, Professor für Astronomie und Planetenwissenschaften an der Universität von Arizona in Tucson, wo sich das Operationszentrum der Mission befindet. „Es ist das erste Weltraumteleskop, das speziell dafür gebaut wurde, das durch die Atmosphären von Exoplaneten gefilterte Sternenlicht detailliert zu untersuchen. Die Daten von Pandora werden Wissenschaftlern helfen, Beobachtungen aus früheren und aktuellen Missionen wie den Weltraumteleskopen Kepler und Webb der NASA zu interpretieren. Und sie werden eine Grundlage für zukünftige Projekte bei der Suche nach bewohnbaren Welten legen.“

Hier können Sie hochauflösende Videos und Bilder aus dem Scientific Visualization Studio der NASA herunterladen.

Die Missionen BlackCAT und SPARCS werden zusammen mit Pandora im Rahmen des Astrophysics CubeSat-Programms der NASA starten, wobei letzteres von der CubeSat Launch Initiative der Behörde unterstützt wird.
CubeSats sind eine Klasse von Nanosatelliten, deren Größe einem Vielfachen eines Standardwürfels mit Kantenlängen von 10 Zentimetern entspricht. Sowohl BlackCAT als auch SPARCS sind 30 x 20 x 10 Zentimeter groß. CubeSats wurden entwickelt, um einen kostengünstigen Zugang zum Weltraum zu ermöglichen, um neue Technologien zu testen und Nachwuchswissenschaftler und -ingenieure auszubilden und gleichzeitig spannende wissenschaftliche Erkenntnisse zu liefern.

Die BlackCAT-Mission wird ein Weitfeldteleskop und einen neuartigen Röntgendetektor einsetzen, um starke kosmische Explosionen wie Gammastrahlenausbrüche, insbesondere aus dem frühen Universum, und andere flüchtige kosmische Ereignisse zu untersuchen. Sie wird sich dem Netzwerk der NASA-Missionen anschließen, die diese Veränderungen beobachten. Abe Falcone von der Pennsylvania State University in University Park, wo der Satellit entworfen und gebaut wurde, leitet die Mission mit Unterstützung des Los Alamos National Laboratory in New Mexico. Kongsberg NanoAvionics US stellte den Raumfahrzeugbus zur Verfügung.

Der SPARCS CubeSat wird Flares und andere Aktivitäten von Sternen mit geringer Masse mithilfe von ultraviolettem Licht beobachten, um festzustellen, wie sie sich auf die Weltraumumgebung um umkreisende Planeten auswirken. Evgenya Shkolnik von der Arizona State University in Tempe leitet die Mission unter Beteiligung des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. Neben der wissenschaftlichen Unterstützung hat das JPL die Ultraviolettdetektoren und die dazugehörige Elektronik entwickelt. Blue Canyon Technologies hat den Raumfahrzeugbus hergestellt.

Pandora wird von der NASA Goddard geleitet. Livermore ist für das Projektmanagement und die Technik der Mission verantwortlich. Das Teleskop von Pandora wurde von Corning hergestellt und in Zusammenarbeit mit Livermore entwickelt, das auch die Bilddetektoren, die Steuerelektronik der Mission und alle unterstützenden thermischen und mechanischen Subsysteme entwickelt hat. Der Nahinfrarotsensor wurde von der NASA Goddard bereitgestellt. Blue Canyon Technologies lieferte den Bus und führte die Montage, Integration und Umwelttests des Raumfahrzeugs durch. Das Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley wird die Datenverarbeitung der Mission übernehmen. Das Missionskontrollzentrum von Pandora befindet sich an der University of Arizona, und eine Reihe weiterer Universitäten unterstützt das Wissenschaftsteam.

Verfasserin: Jeanette Kazmierczak
NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.

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• Mission Twilight auf Falcon 9

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Quelle: ESA / Science & Exploration, 30. Dezember 2025

Dieses elektrische Spektakel entstand während eines Sommergewitters im Jahr 2025. Was Nichole aus dem Orbit aufnahm, ist eines der seltensten Beispiele für Transient Luminous Events (TLEs) – atmosphärische Phänomene, die von der Erde aus nur selten zu sehen sind, da sie sich über den Wolken in Höhen zwischen 40 und 80 Kilometern ereignen.
Auf dem Bild breitet sich ein blauer Strahl in Richtung der oberen Schichten der Atmosphäre aus. Dem Lichtstrahl folgen rote Blitze, die sich wie Tentakel über den Himmel ausbreiten. Das beeindruckende Ereignis dauerte weniger als eine Sekunde.

Der ESA-Astronaut Andreas Mogensen hat vor einem Jahrzehnt den ersten pulsierenden blauen Jet aus dem Weltraum aufgenommen und damit eine neue Perspektive auf die elektrische Aktivität an der Spitze von Gewittern eröffnet. Wissenschaftler begannen zu erforschen, welche Arten von Wolken solche Phänomene auslösen und wie sie sich auf die Chemie der Atmosphäre auswirken können.

Dies waren keine vereinzelten Beobachtungen von Naturfeuerwerken. In einer anderen Nacht im Jahr 2024 richtete die NASA-Astronautin Jeanette Epps eine hochauflösende Kamera von der Internationalen Raumstation auf ein Gewitter in Australien. Mit der Kamera auf die schnellste Bildrate für Zeitlupenvideos eingestellt, gelang es ihr, zum ersten Mal einen pulsierenden riesigen Jet mit blauen und roten Ausbrüchen in seiner ganzen Pracht aus dem Weltraum aufzunehmen.

Ihre Aufzeichnung ist eine Fortsetzung des Thor-Davis-Experiments, mit dem Blitze in der oberen Atmosphäre und deren mögliche Auswirkungen auf die Konzentration von Treibhausgasen untersucht werden sollen. Das Experiment ist nach dem Gott des Donners, des Blitzes und der Stürme in der nordischen Mythologie benannt und wird von der Dänischen Technischen Universität (DTU) in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation durchgeführt.

Blitze lösen fast jede Sekunde starke elektrische Entladungen in unserer Atmosphäre aus, doch die inneren Zusammenhänge dieser Naturkräfte sind noch nicht vollständig verstanden. Die Erfassung solcher Phänomene ist für Wissenschaftler, die sich mit den Wettersystemen der Erde befassen, von entscheidender Bedeutung.

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• Planet Erde

Der Beitrag Ein Feuerwerk aus dem Weltraum erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

In dieser Folge erzählt Karl eine kleine Geschichte der Mars-Atmosphäre. Die Astronomen der Antike sahen beim Mars zunächst nicht mehr als einen rötlichen Wandelstern, der in Schleifen übers Firmament läuft. Und während auch die ersten Astronomen der Neuzeit nur wenige Details des Planeten in Erfahrung bringen konnten, so waren sie doch überzeugt: Der Mars ist eine belebte Welt, die der Erde ähneln sollte.

Doch bis ins 20. Jahrhundert hinein wussten Forscherinnen und Forscher lediglich: Die Tage auf dem Mars sind vergleichbar lang wie auf der Erde (24 Stunden und 37 Minuten), der Planet besitzt vermutlich Polkappen und Jahreszeiten. Der italienische Astronom Giovanni Schiaparelli hatte im 19. Jahrhunderte lange Linien beschrieben, die er canali nannte und die folgende Generationen über die Möglichkeit einer marsianischen Zivilisation spekulieren ließen. Doch die Voraussetzung für solches Leben auf dem Mars wäre, dass diese Außerirdischen Luft zum atmen hätten. Die Aufnahmen der NASA-Sonde Mariner 4 aus dem Jahr 1965 bereitete all diesen Mutmaßungen ein abruptes Ende: Auf ihnen erschien der Rote Planet als tote, kalte und tiefgefrorene Welt mit einer extrem dünnen Atmosphäre.

Dass in der kaum vorhandenen Marsluft dennoch etwas passiert, wurde zwar früh erkannt, war aber nie genauer untersucht worden. Marsianische Wolken bestehen aus Eiskristallen und waren eher ein Störfaktor für Kameras, die eigentlich Krater, Canyons oder Flusstäler der festen Oberfläche fotografieren sollten. Erst 2018 gibt ein spanischer Doktorand Anlass, die Marswolken genauer zu untersuchen. Jorge Hérnandez-Bernal findet am Riesenvulkan Arsia Mons eine extrem lange Wolke, die über die letzten Jahrzehnte immer zu einer bestimmten Jahreszeit wiederkehrt.

Diese Entdeckung von Hérnandez-Bernal motiviert schließlich ein Team um Daniela Tirsch vom Institut für Weltraumforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt genauer nachzusehen. Die europäische Raumsonde Mars Express hatte seit 2003 tausende Bilder gemacht. Und damit gelingt etwas, was sich die NASA-Mitarbeitenden aus dem Jahr 1965 kaum hätten vorstellen können: der allererste Wolkenatlas einer außerirdischen Welt.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf Apple Podcasts oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Planet Mars

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Quelle: ESA/Applications/Observing the Earth/Copernicus/Sentinel-4, 21. Oktober 2025

Das im Juli 2025 gestartete Ultraviolett-Sichtbar-Nahinfrarot-Spektrometer Sentinel-4 ist auf dem ersten Meteosat-Satelliten der dritten Generation untergebracht. Diese Dual-Mission-Architektur ermöglicht eine effiziente Nutzung des Satelliten, indem sie meteorologische und atmosphärische Zusammensetzungsüberwachungsfunktionen auf einer einzigen Plattform kombiniert.
Das Sentinel-4-Spektrometer befindet sich noch in der Inbetriebnahmephase für seine Betriebsdauer – daher sind die ersten Bilder, die unten zu sehen sind, nur ein erster Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird. Sentinel-4 misst das von der Erdoberfläche und der Atmosphäre reflektierte Sonnenlicht und ermittelt dabei die spektralen Signaturen oder „Fingerabdrücke“ von Spurengasen und Aerosolen in der Atmosphäre. Im Gegensatz zu anderen Satellitensensoren, die die Erde in geringerer Höhe von Pol zu Pol umkreisen, arbeitet Sentinel-4 in einer geostationären Umlaufbahn und beobachtet kontinuierlich dieselbe Region – Europa und Nordafrika – von einer festen Position aus.

Diese Animation zeigt, wie das Ultraviolett-, Sichtbar- und Nahinfrarot-Spektrometer (UVN) von Copernicus Sentinel-4, das auf dem Satelliten Meteosat Third Generation Sounder (MTG-S1) montiert ist, Stickstoffdioxid über Europa und Nordafrika beobachten kann (NO2-Daten freundlicherweise zur Verfügung gestellt von CAMS). Stickstoffdioxid ist ein Spurengas, das in unserer Atmosphäre entsteht, wenn fossile Brennstoffe verbrannt werden. Das UVN-Spektrometer an Bord von MTG-S1 umkreist die Erde in einer geostationären Umlaufbahn. Es ist die erste Mission zur Überwachung der Luftqualität in Europa aus dieser Umlaufbahn, was bedeutet, dass es seine Position – 36 000 km von der Erdoberfläche entfernt – über dem Äquator beibehält, während sich die Erde dreht. Das Instrument misst das von der Erdoberfläche und der Atmosphäre reflektierte Sonnenlicht sowie das direkt von der Sonne kommende Licht. Wenn Licht durch die Atmosphäre dringt, hinterlassen Spurengase eine Signatur oder einen „Fingerabdruck“ auf dem Licht, das den Satelliten erreicht. Diese Signaturen werden vom UVN-Spektrometer aufgelöst und zur Abschätzung der Menge der in der Atmosphäre vorhandenen Spurengase genutzt.

Von diesem Beobachtungspunkt aus kann Sentinel-4 jede Stunde dieselbe Region scannen und nahezu in Echtzeit Aktualisierungen zu wichtigen Bestandteilen der Atmosphäre liefern.
Ben Veihelmann, Wissenschaftler der Sentinel-4-Mission der ESA, sagte: „Sentinel-4 ist die erste europäische Mission, die stündliche Beobachtungen der Luftqualität liefern wird. Durch die Erfassung schneller Veränderungen der Luftverschmutzung ist Sentinel-4 ein Meilenstein für die Überwachung und Vorhersage der Luftqualität über Europa.“
Sobald das Instrument betriebsbereit ist, wird es regelmäßig die Konzentrationen von Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid, Ozon, Formaldehyd, Glyoxal und Aerosolen kartieren. Diese Daten werden in den Copernicus-Atmosphärenüberwachungsdienst eingespeist.
In der Zwischenzeit hat die Mission bereits einige Datensätze geliefert, die alle auf den ersten Messungen vom 8. Oktober basieren.

Didier Martin, Projektleiter für Sentinel-4 bei der ESA, sagte: „Wir sind sehr glücklich über diese ersten vorläufigen Ergebnisse, und mein Dank gilt allen, die an dieser Mission beteiligt sind.
„Zunächst einmal, und das ist wohl das Wichtigste, bestätigen sie, dass Sentinel-4 in gutem Zustand ist und dass die Kalibrierung und die Datenverarbeitungsketten auf dem richtigen Weg sind. Das bedeutet im Wesentlichen, dass es auf dem besten Weg ist, Europas erste Mission zu werden, die sich der stündlichen Messung von Luftschadstoffen auf dem gesamten Kontinent widmet.“
Das erste Bild (im Banner und oben) zeigt troposphärisches Stickstoffdioxid mit deutlichen Verschmutzungs-Hotspots entlang der Mittelmeerküste und über der italienischen Poebene.
Es ist zu beachten, dass Sentinel-4 kein Stickstoffdioxid über bewölkten Gebieten messen kann, weshalb das Bild in bestimmten Bereichen der Karte keine Konzentrationen anzeigt. Das Bild auf der rechten Seite zeigt die Wolkenbedeckung zum Zeitpunkt der Aufnahme.
Als wichtiger Luftschadstoff, der bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, beispielsweise in Fahrzeugmotoren, Kraftwerken und Heizungsanlagen, freigesetzt wird, kann sich die Konzentration von Stickstoffdioxid schnell ändern. Es ist nicht nur selbst giftig, sondern trägt auch zur Bildung sekundärer Schadstoffe wie Ozon und Feinstaub bei, die beide schwerwiegende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt haben.
Dieses Bild wurde mit Beiträgen des Instituts für Umweltphysik der Universität Bremen und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt erstellt.

Das zweite Bild zeigt die vertikale Säulendichte von Schwefeldioxid. Eine deutliche Wolke ist zu sehen, die aus dem Ätna in Italien aufsteigt und über das Meer in südöstlicher Richtung driftet. Während der Ätna derzeit relativ ruhig ist, werden in Zeiten erhöhter vulkanischer Aktivität in der Regel viel größere Wolken beobachtet.
Neben den natürlichen Emissionen von Vulkanen wird Schwefeldioxid auch durch menschliche Aktivitäten freigesetzt, insbesondere durch Schiffe, die hochschwefelhaltige Kraftstoffe verbrennen, und durch Kraftwerke, die Braunkohle verwenden. Schwefeldioxid ist an sich giftig und trägt zur Bildung sekundärer Schadstoffe wie Feinstaub bei, die erhebliche Gesundheits- und Umweltrisiken darstellen.
Dieses Bild wurde mit Beiträgen des Königlich-Belgischen Instituts für Weltraum-Aeronomie und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt bearbeitet.

Das dritte Bild zeigt eine vertikale Ozonsäule. Während Ozon in der Stratosphäre eine wichtige Rolle beim Schutz des Lebens auf der Erde vor schädlicher UV-Strahlung spielt, wirkt Ozon in der unteren Atmosphäre als Schadstoff, der zu schlechter Luftqualität und Atemwegsproblemen beiträgt.
Die Ozonwerte liegen hier insgesamt im erwarteten Bereich. Die großräumige Verteilung mit einem Maximum über dem Balkan und Griechenland und einem Minimum über dem Baltikum stimmt mit den Mustern überein, die am selben Tag von älteren Instrumenten wie GOME-2 auf den MetOp-Satelliten und Tropomi auf dem Sentinel-5-Precursor-Satelliten erfasst wurden.
Dieses Bild wurde mit Beiträgen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt verarbeitet.

Das letzte Bild, das Europa und einen Teil Nordafrikas zeigt, basiert auf den ersten von Sentinel-4 gemessenen Strahlungsspektren der Erde. Die Messungen wurden in Falschfarben verarbeitet, wobei Rot, Grün und Blau zugewiesen wurden, und zeigen wie erwartet Land, Ozeane und Wolken.
Simonetta Cheli, Direktorin der Erdbeobachtungsprogramme der ESA, sagte: „Wir sind sehr stolz darauf, gemeinsam mit unseren wichtigsten Partnern – der Europäischen Kommission und Eumetsat – sowie unseren engagierten Teams aus der Industrie zu dieser wichtigen Mission beitragen zu können. Dies ist ein eindrucksvoller Beweis für die Kraft der Zusammenarbeit.
Die Mission befindet sich noch in der Inbetriebnahmephase, aber diese ersten Ergebnisse zeigen deutlich, dass alles gut funktioniert. Diese ersten Einblicke sind äußerst ermutigend.
Wir freuen uns nun darauf, dass Copernicus Sentinel-4 in den kommenden Monaten voll einsatzfähig wird und dass seine Daten die Bewertung der Luftqualität verbessern und wichtige Informationen für die Vorhersage von Umweltverschmutzungen liefern werden.“

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• MTG-S1 mit Sentinel-4 auf Falcon 9 (B1085.9)

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Quelle: TROPOS 16. September 2024.

16. September 2024 – Frascati/Leipzig. Mit dem Atmosphären-Lidar ATLID ist nun auch das letzte von vier Instrumenten des im Mai gestarteten EarthCARE-Satelliten erfolgreich in Betrieb genommen worden. Die gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumbehörde (ESA) und der japanischen Raumfahrtagentur (JAXA) soll Wolken, Aerosole und Strahlung so genau messen wie nie zuvor. Einen wichtigen Beitrag dazu leisten Forschende des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS), die Algorithmen entwickelt haben, die u.a. die Aerosol- und Wolkenschichtung aus den Messungen des jetzt in Betrieb gegangenen Gerätes ableiten.

Zur Präzision des neue Klimasatelliten trägt auch eine groß angelegte Messkampagne bei, an der sich rund 50 Bodenstationen des europäischen Netzwerks ACTRIS beteiligen und die vom TROPOS in Leipzig koordiniert wird.

Atmosphären-Lidar komplettiert den neuen Klima-Satelliten
Ausgestattet mit vier hochmodernen Instrumenten – einem Wolkenprofilradar, einem Atmosphären-Lidar, einem Breitbandradiometer und einem abbildenden Spektrometer – soll EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) gleichzeitig eine Reihe verschiedener Messungen durchführen. Zusammen werden diese Messungen dazu beitragen, besser zu verstehen, wie Wolken und Aerosole die einfallende Sonnenenergie zurück ins All reflektieren und wie sie die von der Erde emittierte Wärmestrahlung einfangen. Diese Informationen sind wichtig, um zu verstehen, wie sich der Klimawandel auf die Energiebilanz der Erde auswirkt und um vorherzusagen, wie schnell Wolken und Aerosole ihre zurzeit kühlende Wirkung in Zukunft verlieren könnten.

EarthCARE wurde am 29. Mai 2024 in eine Umlaufbahn um die Erde gebracht. Nur einen Monat später lieferte der Satellit die ersten Bilder des Wolkenradars, kurz darauf folgten die ersten Bilder des Breitbandradiometers, des abbildenden Spektrometers und im August schließlich auch des Atmosphären-Lidars. Dieses hochmoderne Instrument nimmt detaillierte vertikale Profile von Aerosolen und Wolken in der Atmosphäre in verschiedenen Regionen der Erde auf. Aerosole sind winzige Partikel und Tröpfchen aus natürlichen Quellen wie Staub und Seesalz sowie von menschlichen Aktivitäten wie Industrieemissionen oder Holzverbrennungen. Lidar steht für Licht-Radar: Der Laser sendet kurze Impulse von UV-Licht aus, die wie bei einem Radar von Objekten reflektiert und in einem hochempfindlichen Empfänger analysiert werden. Durch die Laufzeit kann die Entfernung, durch die Signalstärke die Konzentration und durch die Polarisation kann die Art der Aerosole bestimmt werden. So wird es möglich, die Verteilung und Eigenschaften von Aerosolen und Wolken zu messen, einschließlich ihrer Höhe, Dicke, optischen und physikalischen Eigenschaften. Dabei ist die Zusammenarbeit mit den anderen drei Instrumenten des Satelliten entscheidend, um die Rolle von Aerosolen und Wolken im Energiehaushalt der Erde zu verstehen. Damit diese Berechnungen über die verschiedenen Geräte hinweg funktionieren, wurde extra ein neues Aerosolklassifizierungsmodell „(Hybrid End-To-End Aerosol Classification“, kurz: HETEAC) als Grundlage für die Aerosoltypisierung entwickelt. Insbesondere das Atmosphären-Lidar ATLID wird auch einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Luftqualitätsprognosen liefern. Ulla Wandinger, die jahrelang zu der Entwicklung von ATLID beigetragen hat, ist begeistert von den ersten Messungen: “Die Fülle der Daten und der detailgenaue Blick in die Strukturen der Atmosphäre sind absolut beeindruckend.“ EarthCARE könnte also die Forschung zu Aerosolen und Wolken und den Wechselwirkungen zwischen ihnen und damit auch die Klimaforschung einen deutlichen Schritt voranbringen.

Die ersten Bilder vom August zeigen die Vielfalt von Aerosolen und Wolken in der Erdatmosphäre: Zu sehen sind z.B. ein Profil von Polaren Stratosphärenwolken (PSC) über der Antarktis, die eine wichtige Rolle bei der Ozonlochentstehung spielen, oder der Tropensturm Debby über dem Golf von Mexiko und Rauchfahnen aus Waldbränden in Kanada. Simonetta Cheli, Direktorin für Erdbeobachtungsprogramme der ESA, sagte: „Nach den ersten Bildern der anderen drei Instrumente von EarthCARE können wir jetzt auch sehen, wie gut das Atmosphären-Lidar ATLID funktioniert. Nachdem das Instrument seine routinemäßige Dekontamination und Kalibrierung durchlaufen hat, kommen dessen Profile in der Qualität wie wir es erwartet hatten. Das Atmosphären-Lidar bringt uns völlig neue Einblicke in die vertikale Verteilung von Wolken und Aerosolen und ermöglicht uns zusammen mit den anderen Instrumenten ein neues wissenschaftliches Verständnis zur Energiebilanz der Erde zu gewinnen.“

Umfangreiche Messkampagnen im Atlantik und in Europa
Damit die Daten der neuen Geräte optimal genutzt und interpretiert werden können, ist es wichtig, diese mit Messungen vom Boden und aus der Luft in verschiedensten Situationen zu vergleichen. Deshalb finden derzeit eine Reihe aufwendiger internationaler Messkampagnen statt:

So fliegt das deutsche Forschungsflugzeug HALO von Cabo Verde im Atlantik, von Barbados in der Karibik und von Oberpfaffenhofen in Deutschland aus bis November mehrmals unter der Flugbahn von EarthCARE. Die Validierungsmission HALO-PERCUSION wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) geleitet. Daran beteiligt sind eine Reihe von Partnern wie z.B. die Universität Leipzig. PERCUSION ist eines von mehreren Teilprojekten des vom MPI-M koordinierten Forschungsprojekts ORCESTRA (Organized Convection and EarthCare Studies over the Tropical Atlantic). Ein weiteres Teilprojekt ist CLARINET (CLoud and Aerosol Remote sensing for EarThcare), bei dem Forschende des TROPOS die neue ACTRIS-Fernerkundungsstation des Cabo Verde Atmospheric Observatory (CVAO) am Ocean Science Center in Mindelo (OSCM) nutzen, um die EarthCARE-Daten im tropischen Atlantik zu validieren und mit Langzeitmessungen zu vergleichen.

Eine wichtige Rolle bei der Kalibrierung der Daten des EarthCARE-Satelliten spielen die Bodenstationen der europäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS: Sie wurden in den letzten Jahren auf- und ausgebaut, um Aerosolpartikel und Wolken mit Fernerkundungsgeräten wie Lidar und Radar zu untersuchen. Rund 50 Stationen in Europa und Übersee beteiligen sich an der Messkampagne atmo4ACTRIS. Dieses dichte Netz bietet den großen Vorteil, dass EarthCARE praktisch täglich über mindestens eine der Stationen fliegt, denn der erdnahe Orbit sorgt dafür, dass der Satellit unseren Planeten streifenweise „abfliegt“ und nur aller 25 Tage wieder über derselben Stelle der Erde ist. Eine einzelne Bodenstation reicht daher zum Kalibrieren nicht aus. „Wir haben die Messkampagne im Rahmen des Infrastrukturprojekts ATMO-ACCESS bereits Ende letzten Jahres mit simulierten Überflügen zwei Monate lang geprobt, um uns auf die komplexe Aufgabe vorzubereiten. Das war sehr hilfreich, denn die ACTRIS-Stationen arbeiten zwar alle nach denselben Standards, aber haben zum Teil sehr unterschiedliches Vorwissen bezüglich der Validierung von Satellitendaten. Daher sind wir alle sehr gespannt darauf, die ersten Daten von EarthCARE mit den Bodenstationen zu vergleichen“, berichtet Dr. Holger Baars vom TROPOS, der die Kampagne von Leipzig aus koordiniert. Aus Deutschland werden neben den TROPOS-Stationen in Leipzig und Melpitz auch Stationen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) in Hohenpeißenberg und Lindenberg, der Universität zu Köln (UzK) in Kooperation mit dem Forschungszentrums Jülich (FZJ), des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Leipzig mitmachen. Deutsche Partner liefern außerdem wichtige Daten aus Übersee: Das Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) steuert in Kooperation mit der UzK Beobachtungsdaten aus Ny-Ålesund in der Arktis bei und TROPOS liefert mit Cabo Verde im Atlantik, Limassol in Zypern und Duschanbe in Tadschikistan Daten von drei Stationen im Staubgürtel der Erde.

Diese Aktivität wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Integrierenden Aktivität ATMO-ACCESS unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101008004 finanziert.

Quelle:
ESA (EarthCARE profiles atmospheric particles in detail, 21/08/2024)
https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/FutureEO/EarthCARE/EarthCARE_profiles_atmospheric_particles_in_detail

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• EarthCARE auf Falcon 9

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Quelle: GFZ 9. September 2024.

9. September 2024 – Der Preis wird von den GFZ Friends, der Vereinigung der Freunde und Förderer des GFZ, jährlich verliehen und ist mit einem Preisgeld von 1.500 Euro verbunden.

Die ausgezeichnete Doktorarbeit
Artem Smirnov erhält den Preis für seine Doktorarbeit zum Thema „Understanding the Dynamics of the Near-Earth Space Environment Utilizing Long-term Satellite Observations“. Diese Dissertation befasst sich mit der Dynamik des erdnahen Weltraums, von der oberen Atmosphäre bis zu einigen Zehntausend Kilometern in den Weltraum hinein. Hier bestimmt die Dynamik geladener Teilchen in unterschiedlicher Dichte und Geschwindigkeit die Bedingungen des sogenannten Weltraumwetters, das für Satelliten, GNSS-Navigationssysteme (Globales Navigationssatellitensystem) aber auch Flugzeuge und technische Systeme auf der Erde erhebliches Störungs- und Gefährdungspotenzial birgt.

Der bemerkenswerteste Teil von Artem Smirnovs Doktorarbeit ist die Entwicklung eines – auf einem neuronalen Netz basierenden – Modells der Elektronendichte in der sog. Topside-Ionosphäre (NET), das 2023 in Nature Scientific Reports veröffentlicht wurde. Die Einführung des NET-Modells stellt einen Paradigmenwechsel in der Modellierung der Ionosphäre dar. Dieses Modell, das auf der Grundlage von 19 Jahren GNSS-Radio-Okkultationsdaten konstruiert wurde, übertrifft das bestehende und gut etablierte empirische Modell der Internationalen Referenz-Ionosphäre (IRI) um das Zehnfache, was das Potenzial des maschinellen Lernens bei der Verbesserung unseres Verständnisses der Ionosphäre der Erde und unserer Vorhersagefähigkeiten demonstriert. Dieses Modell kann in Zukunft zur Vorhersage von Zeiten und Orten, an denen GNSS-Daten ungenau sein könnten, und – durch Berechnung von Korrekturen – zur Verbesserung der GNSS-Positionierung verwendet werden.

Aus der Laudatio
Die Doktorarbeit von Artem Smirnov stellt eine bahnbrechende und umfassende Erforschung der erdnahen Weltraumumgebung dar, einschließlich der Anwendung von Techniken des maschinellen Lernens. Seine Arbeit trägt nicht nur wesentlich zu unserem Verständnis der Weltraumdynamik bei, sondern eröffnet auch Wege für praktische Anwendungen. Führende Wissenschaftler:innen der NASA arbeiten derzeit mit Artem Smirnovs Ergebnissen, z. B. zur Verbesserung der GNSS-Positionierung.

Artem Smirnov hat seine Promotion an der Universität Potsdam in 4 Jahren abgeschlossen und mit Summa Cum Laude promoviert. Bis zu seiner Verteidigung veröffentlichte er 8 begutachtete Erstautor-Publikationen und 20 Co-Autor-Publikationen. Drei seiner jüngsten Veröffentlichungen wurden von den renommierten US-Fachzeitschriften AGU und JGR Space Physics Journal als „Top downloaded paper“ ausgezeichnet. Sein h-Index (die Kennzahl für die weltweite Wahrnehmung einer:s Wissenschaftler:in in Fachkreisen) liegt bei 9, was eine bemerkenswerte Leistung für einen Nachwuchswissenschaftler darstellt.

Über Artem Smirnov
Dr. Artem Smirnov hat an der Lomonosov Moscow State University studiert. Seine Bachelor-Arbeit wurde von der Russischen Akademie der Wissenschaften in der Abteilung Physik der Festen Erde 2017 als Beste im Fach Geophysik ausgezeichnet. Anschließend ging er nach München, wo er seinen Master in Geophysik mit Spezialisierung Geomagnetismus an der Technischen Universität und der Ludwig-Maximilians Universität (LMU) machte, mit Gastaufenthalt am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen. 2019 kam er nach Potsdam, wo er in der GFZ-Sektion „Weltraumphysik und Weltraumwetter“ und an der Universität Potsdam seine Doktorarbeit anfertigte. Nach erfolgreicher Promotion forscht er mittlerweile als Post-Doc-Wissenschaftler an der LMU München – im Rahmen eines Kooperationsprojektes mit dem GFZ.

Über den Friedrich-Robert Helmert-Preis
Doktorand:innen tragen mit ihren wissenschaftlichen Leistungen wesentlich zum Erfolg des GFZ bei. Mit dem Friedrich-Robert-Helmert-Preis werden jedes Jahr junge Wissenschaftler:innen gewürdigt, deren herausragende Dissertationen wesentlich zum besseren Verständnis des Systems Erde beitragen. Die Preisträger:innen erhalten neben dem Preisgeld von 1500 Euro eine Urkunde und eine einjährige Ehrenmitgliedschaft bei den GFZ Friends, der Vereinigung der Freunde und Förderer des GFZ. Das Preisgeld ist nicht zweckgebunden.

Originalpublikation:
A novel neural network model of Earth’s topside ionosphere
https://www.nature.com/articles/s41598-023-28034-z
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-023-28034-z.pdf

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• Ehrungen

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Am 22. Februar 2018 starten zwei unscheinbare Satelliten in eine Umlaufbahn: Sie sind weder besonders groß, noch auf andere Weise auffällig. Aber diese zwei Satelliten, die den Namen Starlink tragen, läuten einen Wandel im erdnahen Weltraum ein. Und der ist auch heute längst noch nicht abgeschlossen. Wir befinden uns mitten im Zeitalter der Megakonstellationen – von tausenden Satelliten, die viele neue Anwendungen möglich machen. Allerdings kommen diese Chancen der Raumfahrt zu einem hohen Preis.

Karl erzählt in dieser Podcastfolge von seiner Langzeitrecherche über die letzten sechs Jahre. Er wollte herausfinden, ob die Atmosphäre durch immer mehr startende Raketen und vor allem durch die stark wachsende Zahl verglühender Satelliten beschädigt werden könnte. Wieder mal geht es um die Ozonschicht: Denn jeder verglühende Satellit hinterlässt Partikel aus Aluminium, die chemische Abbaureaktionen anstoßen könnten und dadurch den planetaren Schutzschicht gegen krebserregende UV-Strahlung der Sonne beschädigen.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Starlink – Satellitenkonstellation
• Beeinträchtigung von astronomischen Teleskopen durch Megakonstellationen
• Mögliche und tatsächliche (Kollisions-) Gefahren durch Megakonstelllationen
• Starlink auf Falcon 9 (2024)

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Quelle: DLR 4. September 2024.

4. September 2024 – Das Forschungsflugzeug HALO des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat auf Cabo Verde die erste Etappe seiner fliegerisch und wissenschaftlich bisher anspruchsvollsten Mission gemeistert. Seit Anfang August 2024 ist HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) in Äquatornähe unterwegs und misst, wie sich die tropischen Luftmassen und Wolkensysteme in unterschiedlichen Höhen verhalten – synchron zum Erdbeobachtungssatelliten EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer). HALO fliegt jedes Mal exakt unter dem Satelliten, sodass die Messungen von Flugzeug und Satellit direkt vergleichbar sind. Die Instrumente an Bord des Forschungsflugzeugs verwenden dabei das gleiche Messprinzip wie der Satellit. Die Daten aus der Luft helfen, die Instrumente an Bord des Satelliten zu kalibrieren und die Datenauswertung der EarthCARE-Mission zu optimieren. Die insgesamt zehn Unterflüge seit Missionsbeginn hat das Flugteam erfolgreich gemeistert, indem sie HALO direkt auf Linie mit EarthCARE gebracht haben. Die ersten Messdaten von Flugzeug und Satellit sind daher bereits in der Auswertung.

Klima- und Wettergeschehen besser vorhersagen
Die Messdaten geben Aufschluss darüber, wie sich Wolken bilden, welchen Einfluss Aerosole und Sonneneinstrahlung haben, welche Wechselwirkungen gegenseitig entstehen und wie sie den Energiehaushalt der Erde beeinflussen. Der europäisch-japanische Satellit EarthCARE startete vor drei Monaten und wird die kommenden Jahre helfen, das Klimageschehen und Wetterdynamiken genauer zu verstehen und vorherzusagen.

HALO stößt nun zur Inbetriebnahme des Satelliten hinzu und stellt von Beginn an sicher, dass Forschende die EarthCARE-Daten in bestmöglicher Qualität nutzen können. Die Validierungsmission wird vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre aus Oberpfaffenhofen geleitet und in Zusammenarbeit mit weiteren nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen durchgeführt, mit wissenschaftlicher Führung des Hamburger Max-Planck-Instituts für Meteorologie.

Zwischen Chaos und Laborbedingungen
Um die Aussagekraft von EarthCARE zu bewerten, muss das Forschungsflugzeug des DLR verschiedenste Situationen in der Atmosphäre begleiten. Dazu gehören trockene und feuchte Klimazonen, hohe und niedrige Luftschichten oder saubere und mit Aerosolpaertikeln angereicherte Luftmassen. Die kapverdischen Inseln etwa bieten sehr komplexe Bedingungen. Mehrere Einflussfaktoren treffen in der Atmosphäre aufeinander und bieten ein nahezu chaotisches Messfeld. „Neben Inseleffekten sind die Luftschichten partiell erheblich mit Saharastaub durchsetzt. Hinzu kommen Faktoren wie der ‚African Easterly Jet‘, ein saisonaler Starkwind, der die Entwicklung tropischer Wirbelstürme über dem Atlantik maßgeblich beeinflusst. Durch die Nähe zum Äquator herrscht außerdem eine intensive Sonnenstrahlung, auf der ein weiteres Augenmerk von EarthCARE liegt“, erklärt DLR-Projektleiterin Dr. Silke Groß vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre.

Nach vier Wochen Station auf der kapverdischen Insel Sal, führt die nächste Etappe HALO nun vom 5. September bis 30. September 2024 nach Barbados. Auf dem Weg dorthin erwartet die DLR-Crew weiter westlich eine fast staubfreie Atmosphäre. Es herrschen quasi Laborbedingungen; ein ideales Szenario für die Forschenden, um die Messdaten von EarthCARE abzugleichen. HALO ist für die Mission mit insgesamt neun Instrumenten ausgestattet, insbesondere einem Doppler-Radar sowie einem spektral hochauflösenden Lidar. Bei allen Messflügen werden auch meteorologische Fallsonden von HALO abgeworfen, um Wind-, Feuchte- und Temperaturdaten von der gesamten Atmosphärensäule unterhalb des Flugzeugs zu erhalten.

Spitzenleistungen Flugzeug und Crew
Für die extrem anspruchsvollen Flüge ist HALO wie geschaffen – der ehemalige Business-Jet ist passend zu EarthCARE instrumentiert, kann bis zu 15,5 Kilometer hoch und mehr als 8.000 Kilometer weit fliegen. Gemeinsam mit dem EarthCARE-Satellit vermisst HALO kritische Phänomene wie die „Innertropische Konvergenzzone“ durchgehend bis in ihre Übergangszonen hinein. Dieses mehrere hundert Kilometer lange Wolkenband entsteht in Äquatornähe und beeinflusst unter anderem die Regenzeit in den Tropen und Subtropen, das Monsungebiet über Asien und Afrika sowie die Grenzen der Klimazonen.

Die Flugspur des Satelliten exakt zum richtigen Zeitpunkt zu unterfliegen ist jedes Mal eine Herausforderung. Die Piloten müssen in der Luft flexibel auf kurzfristige Änderungen des Flugplans reagieren. Auch bei der Flugplanung bringt das Team der DLR-Flugexperimente ihre Expertise ein: Anhand der Position des Satelliten berechnen sie den geeigneten Kurs für das Flugzeug, der dann von der Flugsicherung geprüft und dem Flugbetrieb entsprechend noch einmal angepasst wird.

Referenzdaten am Boden, zu Wasser und in der Luft
Die Validierung von EarthCARE ist die bisher anspruchsvollste und umfangreichste Mission von HALO. Bis zum Jahresende sind insgesamt 296 Flugstunden eingeplant, mit bis zu drei Einsätzen pro Woche. Für die Validierung bezieht das DLR-Team darüber hinaus weitere Messungen ein. Während der vierwöchigen Kampagne auf Cabo Verde etwa fanden zusätzlich Bodenmessungen des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung statt, Schiffsmessungen des Max-Planck-Instituts für Meteorologie sowie Messflüge des französischen Turboprop-Flugzeugs SAFIRE ATR-42 und des norwegisch-rumänischen Teams mit der Turboprop INCAS KingAir. In den kommenden Wochen wird das Barbados Cloud Observatory die HALO-Messungen ergänzen.

Ende September wird das DLR-Forschungsflugzeug dann nach Oberpfaffenhofen zurückkehren, um EarthCARE ab November in neuen atmosphärischen Situationen in gemäßigten Breiten zu prüfen. Flüge über Deutschland und Europa bis in die arktischen Regionen werden das Messprofil erweitern. So stellt das DLR sicher, dass die EarthCARE-Mission ihr Datenpotenzial bestmöglich ausschöpfen kann.

Über die Mission
Die Validierungsflüge für die Satellitenmission EarthCARE werden vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) geleitet. Diese Validierungsmission PERCUSION (Persistent EarthCare underflight studies of the ITCZ and organized convection) ist Teil der Gesamtmission ORCESTRA (Organized Convection and EarthCare Studies over the Tropical Atlantic), die vom MPI-M wissenschaftlich geleitet wird. An der Flugkampagne sind weiterhin die Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und die Universitäten Köln, Leipzig und Hamburg mit Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft beteiligt. Koordiniert werden die Flüge mit Validierungsaktivitäten der Deutschen Forschungsgemeinschaft, unter anderem dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), dem Forschungszentrum Jülich sowie dem Deutschen Wetterdienst. Das Forschungsflugzeug HALO wird von der DLR-Einrichtung Flugexperimente in Oberpfaffenhofen betrieben.

Über HALO
Das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. Gefördert wird HALO durch Zuwendungen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der Helmholtz-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Leibniz-Gemeinschaft, des Freistaates Bayern, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Forschungszentrums Jülich (FZJ) und des DLR. Das DLR ist zugleich Eigner und Betreiber des Flugzeugs.

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• DLR

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 2. August 2024.

2. August 2024 – Die ausgesprochen dünne Atmosphäre, die den Mond umgibt, entsteht in erster Linie durch das ständige Bombardement der Mondoberfläche durch staubgroße Mini-Meteoriten. Andere Prozesse, etwa die Wechselwirkung mit Teilchen und Strahlung von der Sonne, spielen eine untergeordnete Rolle, wie Forschende von der University of Chicago, des Massachusetts Institute of Technology, des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) und des NASA Goddard Space Flight Centers heute in der Fachzeitschrift Science Advances berichten. Das Team hat Bodenproben untersucht, die Astronauten der Apollo-Missionen vor Jahrzehnten zurück zur Erde gebracht hatten. Dieses Material stand über Milliarden von Jahren in ständigem Austausch mit der Mondatmosphäre – und war so Zeuge der Vorgänge, welche die Atmosphäre erzeugen und aufrechterhalten.

Eigentlich hat der Mond gar keine Atmosphäre – zumindest nicht nach irdischen Maßstäben. Die nicht einmal zehn Tonnen Material, die seine Gashülle bilden, erzeugen einen Atmosphärendruck von etwa einem Billiardenstel des Luftdrucks, der auf der Erde herrscht. Das bezeichnet man typischerweise als Ultrahochvakuum. Im Fall des Mondes spricht man von Exosphäre. Sie besteht in erster Linie aus Argon, Helium und Neon. Dazu gesellen sich neben einigen anderen Spurenelementen kleinste Anteile der Alkalimetalle Natrium, Kalium und Rubidium. Unklar war bisher, welche Prozesse die Exosphäre mit Material versorgen. Da ständig einige Teilchen ins Weltall entweichen, müssen sie ebenso kontinuierlich von der Oberfläche „nachgefüllt“ werden.

In der aktuellen Studie kommen die Wissenschaftler*innen zu dem Ergebnis, dass hauptsächlich die Einschläge so genannter Mikrometeoriten, kleinster Staubteilchen aus dem Weltall, den nötigen „Nachschub“ liefern. Sie treffen permanent auf die Mondoberfläche, erwärmen sie lokal und setzen so Atome frei. Einen deutlich geringeren Einfluss hat die Sonne: Auch Teilchen des Sonnenwindes und Sonnenlicht können einzelne Atome aus dem Mondboden lösen.

In der Vergangenheit haben sich Wissenschaftler*innen bemüht, diese Prozesse möglichst direkt zu verfolgen, etwa mit Hilfe der NASA-Raumsonde Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), die den Mond von Oktober 2013 bis April 2014 umkreiste und ihr Augenmerk besonders auf die Natrium- und Kaliumatome der Exosphäre richtete. Die neue Studie verfolgt nun einen gänzlich anderen Ansatz: Um mehr über die Exosphäre zu erfahren, schauen die Forscher*innen nicht auf die Exosphäre selbst, sondern untersuchen den Mondboden.

„Spuren“ im Mondstaub
„Das Regolith, das den Mond überzieht, steht seit Milliarden von Jahren in direktem Austausch mit seiner Exosphäre“, erklärt Dr. Timo Hopp vom MPS die Grundidee der Studie. „Das hat Spuren hinterlassen, die sich im Labor messen lassen“, fügt er hinzu. Entscheidend ist dabei, dass einige der Prozesse, die sich im Wechselspiel zwischen Oberfläche und Exosphäre abspielen, leichtere Isotope bevorzugen. Isotope sind Spielarten eines Elements, die sich allein durch die Anzahl ihrer Neutronen im Kern und somit durch ihr Gewicht unterscheiden. So setzen etwa die Einschläge von Mini-Meteoriten eher leichte als schwere Isotope frei. Zwar fallen einige der herausgeschlagenen Teilchen mit der Zeit zurück auf die Oberfläche und werden so wieder Teil der Mondoberfläche. Andere entweichen jedoch ins All – und verändern so die Isotopenverhältnisse im Boden dauerhaft. Über Milliarden von Jahren ist die Mondoberfläche somit eine Art Gedächtnis dieser Vorgänge.

In ihrer aktuellen Studie hat das Team die Verhältnisse, in der Kalium- und Rubidiumisotope in zehn Proben vom Mond vorliegen, mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmt. Die Proben hatten NASA-Astronauten im Rahmen der Apollo-Missionen bereits vor Jahrzehnten von fünf verschiedenen Landestellen auf dem Mond zurück zur Erde gebracht. Während ein Teil des mitgebrachten Mondmaterials damals sofort untersucht wurde, hob die NASA einen beträchtlichen Teil für Untersuchungen auf, die erst in Zukunft möglich sein würden.

Atmosphären-Entstehung am Computer
Zudem modellierten die Forschenden am Computer, wie sich die Wechselswirkungsprozesse zwischen Oberfläche und Exosphäre auf die Isotopenzusammensetzung des Mondbodens auswirken. „Am Computer können wir die Beiträge einzelner Prozesse problemlos variieren. Wir können berechnen, in welchem Verhältnis Kalium- und Rubidiumisotope vorliegen müssten, wenn beispielsweise die Wechselwirkung mit Sonnenwindteilchen überwiegt oder wenn die Mikrometeoriten den größten Einfluss haben“, erklärt Timo Hopp. Der Vergleich mit den tatsächlich gemessen Werten erlaubt dann Einblicke in die Vorgänge, die Mondoberfläche und Exosphäre geformt haben.

„Unsere Studie gibt als klare Antwort, dass Verdampfung durch Meteoriteneinschläge der dominierende Prozess ist, der die Mondatmosphäre erzeugt“, so die Erstautorin der Studie, Prof. Dr. Nicole Nie, Assistenzprofessorin am Massachusetts Institute of Technology. Dieser Prozess hat mehr als 65 Prozent des Kaliums in der Mond-Exosphäre erzeugt. Der Rest geht auf Wechselwirkungen der Mondoberfläche mit Teilchen und Strahlung von der Sonne zurück. „Der Mond ist fast 4,5 Milliarden Jahre alt und während dieser Zeit wurde die Oberfläche ständig von Meteoriten bombardiert. Wir zeigen, dass eine dünne Atmosphäre schließlich einen stabilen Zustand erreicht, weil sie durch kleine Einschläge überall auf dem Mond ständig aufgefüllt wird“, so Prof. Dr. Nicole Nie weiter.

Die neuen Ergebnisse helfen zudem zu verstehen, wie dünne Exosphären entstehen und über Milliarden von Jahren aufrechterhalten werden. Neben dem Mond umgibt beispielsweise auch den Merkur eine solch dünne Gashülle.

Originalveröffentlichung
Nicole X. Nie, Nicolas Dauphas, Zhe J. Zhang, Timo Hopp, Menelaos Sarantos:
Lunar Soil Record of Atmosphere Loss over Eons,
Science Advances, 2. August 2024
dx.doi.org/10.1126/sciadv.adm7074
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm7074

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• Mond

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Quelle: Universität Bern 24. Juli 2024.

24. Juli 2024 – Die Verbrennung fossiler Energieträger und der weit verbreitete Einsatz von Kunstdünger in der Landwirtschaft haben zu einer erheblichen Zunahme des biologisch verfügbaren, reaktiven Stickstoffs geführt. Diese Zunahme hat weitreichende und gut erforschte Auswirkungen auf Ökosysteme, Biodiversität und Gesundheit. «Luftverschmutzung führt allein in der Schweiz zu über 2’000 vorzeitigen Todesfällen pro Jahr und Stickstoff spielt dabei eine wichtige Rolle», sagt Mitautor der Studie und Professor am physikalischen Institut und am Oeschger-Zentrum für Klimaforschung der Universität Bern, Fortunat Joos. Bisherige Studien haben die Auswirkungen von reaktivem Stickstoff auf das globale Klimasystem seit der Industrialisierung nur unzureichend erforscht.

Eine neue Studie unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena schliesst nun diese Wissenslücke. Die Forschenden kombinierten Ergebnisse aus Modellen der terrestrischen Biosphäre mit Erkenntnissen aus der Atmosphärenchemie und Modellen der globalen atmosphärischen Verteilung von Stickstoffen. Diese Kombination ermöglicht eine neuartige und umfassende Abschätzung der Klimawirkung des von Menschen ausgestossenen reaktiven Stickstoffs. Die Ergebnisse wurde im Fachmagazin Nature publiziert.

Bisher insgesamt kühlende Klimawirkung
«Wir Menschen stossen eine ganze Reihe von Stickstoffverbindungen aus», erklärt Cheng Gong, Erstautor der Studie und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena. «Einige, wie beispielsweise Lachgas, sind Treibhausgase und wirken somit erwärmend.» Andere, wie etwa Feinstaubpartikel, die die Sonnenstrahlung reflektieren, hätten dagegen eine kühlende Wirkung auf das Klima. Diese Effekte spiegeln sich auch in den Ergebnissen der Studie wider: «Einerseits fanden wir eine signifikante Erwärmung durch steigende Konzentrationen der Treibhausgase Lachgas (N₂O) und Ozon (O₃). Andererseits haben wir mehrere Prozesse quantifiziert, die zur kühlenden Wirkung von Stickstoff beitragen», so Gong. Dazu gehören neben dem Feinstaub auch chemische Reaktionen, die zu einer verkürzten Verweildauer des Treibhausgases Methan in der Atmosphäre führen, sowie eine erhöhte Aufnahme von Kohlendioxid (CO₂) durch die Landbiosphäre aufgrund der düngenden Wirkung von Stickstoff.

Kombiniert man alle Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse durch die reaktiven Stickstoffe, so führt dies bisher zu einem Abkühlungseffekt. «Dieses neue Ergebnis legt nahe, dass die Stickstoffverschmutzung etwa ein Sechstel der bisherigen Erderwärmung durch den CO₂-Anstieg über die industrielle Periode kompensiert hat», erklärt Qing Sun, Mitautorin und Postdoktorandin an der Universität Bern.

Bedeutung für Klimaschutz
Die neuen Ergebnisse sind auch für zukünftige Strategien zur Stickstoffvermeidung und die Klimaschutzpolitik wichtig: Das internationale Team untersuchte, wie sich verschiedene Klimaszenarien zukünftiger Entwicklungen auswirken würden. «In den meisten Szenarien blieben die Lachgasemissionen aus dem Agrarsektor durch den anhaltenden Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft und damit der wärmende Einfluss dieses Gases hoch», erklärt Sun, die mit Computersimulationen der Landbiosphäre zur aktuellen Studie beigetragen hat. Szenarien, die mit den Klimazielen des Pariser Abkommens vereinbar sind, erfordern ein Ende der CO₂-Emissionen aus fossilen Energieträgern. Damit wird auch die Freisetzung von reaktivem Stickstoff aus fossilen Quellen und dessen schädliche Auswirkungen auf Gesundheit und Biodiversität reduziert, aber auch sein kühlender Effekt entfällt. Die Forschenden erwarten daher für diese Klimaschutzszenarien einen leicht erwärmenden Beitrag des gesamten Stickstoffs, der aber weit geringer ist als die Erwärmung aus dem ungebremsten Verbrauch fossiler Energieträger.

«Die Studie unterstreicht die Dringlichkeit, die Emissionen aus fossilen Energieträgern endlich zu stoppen und Düngemittel gezielter einzusetzen. Das würde nicht nur die globale Klimaerwärmung verlangsamen, sondern auch die Belastung durch gesundheitsschädliche Ozon- und Feinstaubkonzentrationen für uns alle auf dem Land und in der Stadt verringern», so Joos abschliessend.

Publikation:
Gong C., H. Tian, H. Liao, N. Pan, S. Pan, A. Ito, A. K. Jain, S. K.-Giesbrecht, F. Joos, Q. Sun, H. Shi, N. Vuichard, Q. Zhu, C. Peng, F. Maggi, F. H. M. Tang, and S. Zaehle, Global net climate effects of anthropogenic reactive nitrogen, Nature, 24. Juli 2024
DOI: 10.1038/s41586-024-07714-4
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07714-4
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07714-4.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 10. Juni 2024.

10. Juni 2024 – Die Orkane, die in streifenartigen Sturmbändern über den Jupiter rasen, setzen sich weit ins Innere seiner Atmosphäre fort. Erst in einer Tiefe von etwa 2000 Kilometern dürften sie abrupt abreißen, wie Forschende des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute bestätigen. In der Fachzeitschrift Proceedings of the National Acadamy of Sciences (PNAS) stellen sie die Ergebnisse von Computersimulationen vor, welche die extremen Eigenschaften der Jupiter-Atmosphäre erstmals realistisch berücksichtigen. Demnach ändert sich die Struktur der Atmosphäre in etwa 2000 Kilometern Tiefe grundlegend: Dort muss sich eine stabile Gasschicht erstrecken, die wie eine Art Barriere das Aufsteigen und Absinken von Material unterdrückt. Grund dafür könnte zum Beispiel sein, dass Wasserstoff und Helium, die Hauptzutaten des Jupiters, dort nicht durchmischt, sondern nach Gewicht geschichtet vorliegen.

Das äußere Erscheinungsbild des Jupiters ist geprägt von seinen markanten Jetstreams: farblich klar abgesetzten Sturmbändern, die in latitudinaler Richtung verlaufen und dem gewaltigen Gasriesen eine Art Streifenmuster verleihen. Die Windgeschwindigkeiten, mit denen die Wolken dort um den Planeten jagen, nehmen es spielend mit denen der heftigsten irdischen Orkane auf und übersteigen sie zum Teil sogar. Nur an den Polen weht mit Geschwindigkeiten von etwa 100 Kilometern pro Stunde ein deutlich ruhigeres Lüftchen. Ob die Orkane nur die oberste, etwa 50 Kilometer dicke Wolkenschicht bestimmen oder deutlich tiefer in die darunter liegende Atmosphäre reichen, ist unklar. Die aktuellen Ergebnisse der Göttinger Forscher*innen stützen nun Theorien, wonach die Winde noch tief im Innern toben, dann aber ab einer bestimmten Tiefe recht abrupt abreißen.

Junos Blick unter die Wolkenschicht
Wie es unter der Wolkenschicht des Jupiters zugeht, sollte eigentlich die amerikanische Raumsonde Juno enthüllen. Vor acht Jahren erreichte sie das Jupitersystem. Aus einer Umlaufbahn um den Gasriesen registriert die Sonde minimale Veränderungen im Schwerfeld des Planeten. Diese erlauben auch Rückschlüsse auf die strömenden Gasmassen im Innern. Doch die Interpretation der Messdaten ist knifflig. Während eine internationale Forschergruppe unter Leitung des israelischen Weizmann-Instituts für Wissenschaften 2018 vermeldete, die Winde erstreckten sich einige tausend Kilometer in die Tiefe, blieben andere Wissenschaftler*innen skeptisch. Sie argumentieren, dass die Messdaten auch mit deutlich flacheren Orkanen in Einklang zu bringen seien.

In seinen Simulationen modelliert das Göttinger Team nun das komplexe Zusammenspiel von Auftrieb sowie magnetischen und Corioliskräften in einer Schicht, die 5600 Kilometer in die Atmosphäre des Jupiters reicht, am Computer. Der Radius des Jupiters miss mehr als 70.000 Kilometer. „Der Jupiter ist ein ausgesprochen extremer Ort; selbst die Vorgänge in dieser äußeren Schicht zu simulieren, ist eine riesige Herausforderung und stellt gewaltige Anforderungen an die Rechenleistung“, so Prof. Dr. Ulrich Christensen, Emeritus-Direktor am MPS und Erstautor der neuen Studie. Zudem stelle das grundsätzliche Verständnis, wie die verschiedenen Kräfte zusammenwirken um den plötzlichen Abfall der Windgeschwindigkeiten in der Tiefe zu bewirken, eine große theoretische Herausforderung dar, erklärt der Forscher.

Wichtige physikalische Eigenschaften wie etwa elektrische Leitfähigkeit und Dichte, die sich auf die Ergebnisse der Simulationen maßgeblich auswirken, verändern sich innerhalb der Jupiter-Atmosphäre drastisch. Unter der obersten Wolkenschicht liegen Wasserstoff und Helium, die beide Hauptbestandteile des Jupiters, in gasförmigem Zustand vor. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Druck jedoch so stark zu, dass beide Gase zunächst in den flüssigen, tiefer unten sogar in den metallischen Zustand übergehen. In einer Tiefe von 5600 Kilometern, bis zu der die MPS-Forschenden die Vorgänge simuliert haben, erreicht die elektrische Leitfähigkeit zwar nicht die Werte typischer Metalle, hat aber im Vergleich zur Wolkenschicht um mehr als das Millionenfache zugenommen. Das neu entwickelte Modell ist erstmals in der Lage dies zu berücksichtigen.

Stabile Schicht gibt Rätsel auf
Die neuen Simulationen erlauben so den bisher realistischsten „rechnerischen“ Blick in die tiefe Jupiter-Atmosphäre. Wie sich zeigt, geben die Rechnungen nur dann das Magnetfeld des Jupiters richtig wieder, wenn tief in der Atmosphäre eine stabile Schicht angenommen wird. „Die stabile Schicht dürfte in etwa 2000 Kilometern Tiefe liegen“, erklärt Dr. Paula Wulff, Ko-Autorin der neuen Veröffentlichung, die nach ihrer Promotion am MPS nun an der University of California, Los Angeles forscht. „Die Orkanwindes des Jupiters reichen bis zur oberen Grenze dieser Schicht hinunter“, so Christensen. Erst an ihrem oberen Ende brechen die tiefen Orkanwinde abrupt ab. Der Effekt dürfte in der Nähe der Pole deutlich ausgeprägter sein. Dies könnte helfen zu erklären, warum dort die Winde in der Wolkenschicht langsamer wehen.

Genaue Eigenschaften der 2000 Kilometer tiefen Schicht sind nicht bekannt. Forschende mutmaßen, dass dort Wasserstoff und Helium nach Gewicht geschichtet – also unten Helium, oben Wasserstoff – vorliegen. Eine solche Schicht würde Bewegungen wie das Aufsteigen von Material aus größerer Tiefe ebenso wie das Absinken weiter außen liegenden Materials hemmen. Einen direkten Beweis für die Grenzschicht gibt es bisher nicht. Die MPS-Forscher*innen hoffen, dass es in Zukunft möglich sein wird, mit anderen Methoden Informationen über das Innere der Atmosphäre zu sammeln. Eine Möglichkeit dazu bieten die Eigenschwingungen des Jupiters, welche die Raumsonde Juno vor zwei Jahren aufzeichnen konnte. Störungen dieser Schwingungen können verraten, was genau sich im Innern des Gasriesen abspielt – und Junos Blick ins Innere des Planeten durch eine neue Methode verfeinern.

Originalveröffentlichung
Ulrich R. Christensen, Paula N. Wulff:
Quenching of zonal winds in Jupiter’s interior,
Proceedings of the National Academy of Sciences, 10. Juli 2024
dx.doi.org/10.1073/pnas.2402859121
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402859121

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• Planet Jupiter

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Quelle: GFZ 18. April 2024.

18. April 2024 – Tektonisch aktive Gebirge spielen eine wichtige Rolle bei der natürlichen CO₂-Regulation der Atmosphäre. Hier finden konkurrierende Prozesse statt: An der Oberfläche treibt Erosion Verwitterungsprozesse an, die je nach Gesteinsart CO₂ aufnehmen oder freisetzen. In der Tiefe führt das Erhitzen und Schmelzen von Karbonatgestein zur Ausgasung von CO₂, das an die Oberfläche gelangt. Im mittelitalienischen zentralen Apennin-Gebirge haben Forschende um Erica Erlanger und Niels Hovius vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und Aaron Bufe von der Ludwig-Maximilians-Universität München nun erstmals alle diese Prozesse in einer Region untersucht und bilanziert – u.a. anhand von Analysen des CO₂-Gehalts in Gebirgsflüssen und Quellen. Sie stellten fest, dass Verwitterung in dieser Region insgesamt zu einer CO₂-Aufnahme führt. Diese oberflächennahen Prozesse bestimmen die CO₂-Bilanz aber nur in Gebieten mit dicker und kalter Erdkruste. Auf der Westseite des Zentral-Apennin ist die Kruste dünner und der Wärmefluss höher. Dort ist die CO₂-Ausgasung aus der Tiefe bis zu 50 Mal so stark wie die CO₂-Aufnahme durch Verwitterung. In Summe erweist sich die untersuchte Landschaft als CO₂-Emittent. Die Tektonik, also Aufbau und Dynamik der Erdkruste, steuert die CO₂-Freisetzung hier also stärker als die chemische Verwitterung. Die Studie ist heute im Fachmagazin Nature Geoscience erschienen.

Hintergrund: Die Rolle von Gebirgen im CO₂-Haushalt der Erde
Für die Bilanzierung des globalen CO₂-Haushalts spielen neben den vom Menschen verursachten CO₂-Emissionen auch viele natürliche Prozesse eine Rolle – biologische wie geologische. Gebirgslandschaften sind ein prominenter CO₂-Umschlagplatz, und es ist wichtig, die Auswirkungen der hier ablaufenden konkurrierenden Prozesse von CO₂-Emission und CO₂-Aufnahme in Klimamodellen adäquat zu berücksichtigen.

Zum einen werden Gesteine an der Erdoberfläche durch chemische Lösungsprozesse verwittert: Erosion legt fortwährend Gestein frei, das – je nach Gesteinsart – mit verschiedenen Geschwindigkeiten und entweder unter Aufnahme oder Freisetzung von CO₂ verwittert. So binden etwa Silikatmineralien CO₂ und bilden Kalkstein. Die Verwitterung von Kalk- und schwefelhaltigen Gesteinen setzt wiederum CO₂ frei.

Diese komplexe Konstellation hat ein Forschungsteam um Aaron Bufe und Niels Hovius in einer weiteren, bereits Anfang März im Fachmagazin Science erschienenen Studie aufgeschlüsselt. Sie untersuchten am Beispiel verschiedener Gebirgsregionen weltweit den Einfluss der Erosionsrate auf die CO₂-Bilanz.

Gebirgsbildung beeinflusst allerdings nicht nur Erosions- und Verwitterungsraten an der Erdoberfläche. Wo sich tektonische Platten übereinander schieben, kann das Erhitzen von Karbonatgestein in der Kruste und im Erdmantel zu chemischen Reaktionen führen, die mit der Emission von CO₂ einhergehen.

„Bisherige Studien haben sich jedoch oft auf einen einzigen Prozess konzentriert und entweder nur die Verwitterung an der Oberfläche oder nur die Abläufe in der Tiefe in den Blick genommen. Das wollten wir ändern“, sagt Niels Hovius.

Untersuchungen im Apennin: CO₂-Ausgasung oder -Speicherung – welcher Prozess dominiert?
Die Konkurrenz zwischen den oberflächennahen und tiefliegenden Prozessen ist nun im Fokus einer neuen Studie von Erica Erlanger, Post-Doc-Wissenschaftlerin am GFZ und der Université de Lorraine (Frankreich), Aaron Bufe, Professor für Sedimentologie an der LMU München und ehemals Post-Doc-Wissenschaftler am GFZ, und Niels Hovius, Leiter der Sektion Geomorphologie am GFZ und Professor an der Universität Potsdam, zusammen mit Kolleg:innen aus Frankreich, Italien, den USA und der Schweiz.

Hierfür erweist sich der zentrale Apennin in Mittelitalien als besonders geeignete Region, wie Erica Erlanger, Erstautorin der Studie, erläutert: „Dieses Gebiet ist Teil eines aktiven Gebirges, in dem es dicht beieinander sowohl Zonen mit dicker, kalter Kruste als auch mit dünner warmer Kruste gibt, sodass wir den Einfluss der Untergrundaktivität gut untersuchen können. Denn sowohl die klimatischen Bedingungen als auch die Topografie und die Gesteinsarten an der Oberfläche sind im gesamten Gebiet ähnlich, sodass es kaum Unterschiede in der Verwitterungsaktivität geben dürfte.“

Probennahme und Untersuchung von CO₂-Anteilen
Im westlichen Zentral-Apennin beträgt die Krustendicke rund 20 Kilometer und der Wärmefluss bis zu über 100 Milliwatt pro Quadratmeter, während die Kruste im Osten mehr als 40 Kilometer dick ist, bei einem Wärmefluss von um die 30 Milliwatt pro Quadratmeter.

Die Forschenden haben im westlichen Tevere- und im östlichen Aterno-Pescara-Flusssystem insgesamt 104 Wasserproben genommen, davon 49 im Sommer 2020 und 55 im Winter 2021. Somit werden die wärmsten und trockensten bzw. die feuchtesten und kältesten Jahreszeiten abgedeckt, zur Abschätzung der minimalen (Sommer) und maximalen (Winter) CO₂-Flüsse.

Wasserproben eignen sich deshalb, weil Flüsse und Quellen Kohlenstoff transportieren, der sowohl aus der Tiefe als auch aus oberflächennahen Verwitterungsreaktionen stammt. Die chemische Analyse der Proben beinhaltete unter anderem die Bestimmung der relativen Häufigkeit verschiedener Kohlenstoff-Isotope. Sie kann Aufschluss darüber geben, ob der Kohlenstoff von einer Pflanze oder aus der Atmosphäre stammt oder aus einem subduzierten Gestein freigesetzt wurde.

„Auf dieser Basis konnten wir berechnen, welche CO₂-Mengen durch Verwitterung oder aus der Tiefe durch umgewandelte Karbonate freigesetzt wurden, und welche CO₂-Mengen von verwitterten Silikaten gebunden wurden“, erläutert Erlanger.

Um eine Gesamtbilanz für den CO₂-Haushalt des Apennins abzuschätzen, haben die Forschenden darüber hinaus Schätzungen für anorganische CO₂-Emissionen aus Gasschloten, die von der Westseite des Apennins bekannt sind, sowie von organischem CO₂-Austausch berücksichtigt.

Ergebnis: Zentral-Apennin als Netto-CO₂-Quelle, aber mit zweigeteilter CO₂-Bilanz
Das Forschungsteam fand heraus, dass die Verwitterungsprozesse im gesamten Untersuchungsgebiet überwiegend CO₂ einfangen und nicht freisetzen. Bemerkenswerterweise werden jedoch die verwitterungsbedingten CO₂-Flüsse dort, wo die Kruste dünn und der Wärmefluss hoch ist, vollständig von CO₂-Freisetzung aus der Tiefe überlagert, und zwar um einen Faktor 10 bis 50. In der Summe ist die Region daher eine CO₂-Quelle.

„Wichtig ist, dass die Schwankungen der CO₂-Freisetzung aus der Tiefe viel größer sind als die Schwankungen in den chemischen Verwitterungsflüssen an der Oberfläche. Das bedeutet, dass die regionale Geodynamik im zentralen Apennin den Kohlenstoffkreislauf am stärksten beeinflusst, indem sie die Freisetzung von CO₂ aus der Tiefe moduliert, und nicht, indem sie die CO₂-Speicherung oder -Freisetzung durch Verwitterungsreaktionen verstärkt“, resümiert Erica Erlanger. „Ausgehend von der geologischen Entwicklung des Gebiets schätzen wir, dass es wahrscheinlich über die letzten 2 Millionen Jahre zu einer CO₂-Ausgasung aus tiefen Gesteinen gekommen ist.“

Weitergehende Schlussfolgerungen: Bessere Klimamodelle und Verständnis des empfindlichen CO₂-Gleichgewichts über geologische Zeiten
„Unsere Untersuchungen werden zu einem besseren Verständnis der tatsächlichen CO₂-Bilanz für die Atmosphäre und damit auch zu besseren langfristigen Klimamodellen beitragen“, sagt Aaron Bufe. „Außerdem helfen sie dabei zu klären, wie unser Planet in einem Wechselspiel von CO₂-Ausgasungen verschiedener Quellen und diverser CO₂-Speicherprozesse über geologische Zeiten den engen Bereich von Bedingungen aufrechterhalten hat, die für das Leben förderlich sind.“

Niels Hovius blickt voraus: „Wenn wir die Rolle von Gebirgen an Plattengrenzen im Kohlenstoffkreislauf der Erde in einem allgemeineren Sinne untersuchen wollen, werden auch scheinbar einfache geologische Fragen einen ganzheitlicheren Ansatz erfordern. Von besonderem Interesse sind geologisch junge Gebirgsgürtel an Plattengrenzen, in denen Karbonatgesteine sowohl in Oberflächennähe als auch in der Tiefe vorherrschen dürften. Der heutige Mittelmeerraum und andere noch vergleichsweise junge Gebirgszüge wie der Indonesischen Inselgruppe weisen ähnliche geologische Gegebenheiten und Gesteinsarten auf wie der zentrale Apennin. Die nächste große Frage, die sich uns stellt, ist also, ob die Ausgasung in aktiven tektonischen Gebieten ein globales Phänomen in Raum und Zeit sein könnte.“

Originalpublikation:
Erlanger, E., Bufe, A., Paris, G. et al. Deep CO2 release and the carbon budget of the central Apennines modulated by geodynamics. Nat. Geosci. (2024). DOI: 10.1038/s41561-024-01396-3
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01396-3
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01396-3.pdf

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Quelle: BTU 18. März 2024.

18. März 2024 – Im Februar 2024 startete die zweite Phase des DLR-Projekts „AtmoFlow“. AtmoFlow bezeichnet die wissenschaftlichen Untersuchungen der konvektiven Strömung in einem Kugelschalensystem, welches analog zu planetaren Strömungsfeldern ist“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers, der das Projekt leitet. Der Förderzeitraum umfasst drei Jahre und eine Fördersumme von knapp 680.000 Euro.

BTU-Strömungsforschung zum dritten Mal im Weltall
Mit AtmoFlow wird bereits zum dritten Mal ein von der BTU wissenschaftlich und technologisch koordiniertes Raumstationsexperiment in den Orbit fliegen. Die Vorläuferexperimente GeoFlow I (2008-2009) und GeoFlow II (2011-2018) waren bereits sehr erfolgreich von Cottbus aus vorbereitet und durchgeführt worden. Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers, Lehrstuhlinhaber Aerodynamik und Strömungslehre der BTU und Leiter aller drei Projekte, erklärt begeistert: „Das ist etwas sehr Besonderes. Es gibt kaum eine andere deutsche Universität, die seit über 20 Jahren an so vielen Raumstationsexperimenten teilgenommen hat.“ Dazu gehören auch zahlreiche begleitende Bodenexperimente und Parabelflüge sowie Forschungsraketenflüge, bei denen für kurze Zeit Schwerelosigkeit vorherrscht. Mit dem neuen DLR-Projekt werden drei weitere Stellen für Wissenschaftler*innen gefördert.

Miniatur-Erde auf der ISS
Das Hauptanliegen des Atmospherical Flow (AtmoFlow)-Experimentes liegt auf der Untersuchung atmosphärischer, konvektiver Strömungen im Kugelspalt. Solche Kugelspalt-Experimente sind in den Disziplinen Geophysik, Astrophysik und ganz besonders in der Atmosphärenforschung weit verbreitet und von zentraler Bedeutung. Die Besonderheit der BTU-Technik ist ihre Kugelgeometrie im Unterschied zu anderen häufig planaren, kartesischen Experimenten.

In AtmoFlow sollen Strömungen in sphärischer Geometrie unter dem Einfluss eines zentralen Kraftfeldes („Miniatur-Erde“) untersucht werden, die atmosphären-ähnlichen Randbedingungen ausgesetzt sind. Diese Versuchsanordnung kann nicht auf der Erde realisiert werden, da ihr Gravitationsfeld das künstliche zentrale Kraftfeld des Modells überlagert. Unter Mikrogravitationsbedingungen, also in annähernder Schwerelosigkeit, kann das Modell-Kraftfeld jedoch Konvektion simulieren – Strömungen, wie sie in der Erdatmosphäre, in den Weltmeeren oder im Magmamantel vorkommen.

Parallel und komplementär dazu entwickelt Dr.-Ing. Vadim Travnikov, Wissenschaftler im Team von Prof. Egbers, seit Januar 2024 im Rahmen eines von der DFG-geförderten Projekts ein hydrodynamisches CFD-Modell (Computational Fluid Dynamics). Dieses Strömungsmodell soll die Erscheinungsformen und das Zusammenspiel atmosphärischer Strömungen der Erde beschreiben. Mit Hilfe einer Stabilitätsanalyse erfährt der Forscher auf diese Weise mehr über den Zustand einer Strömung. So kann eine Instabilität den Übergang zu einer turbulenten Strömung einleiten, die sich in der Erdatmosphäre beispielsweise in einem Wirbelsturm äußert. „Uns interessiert, wie sich die Strömungen mit dem Klimawandel weltweit verändern“, sagt der Wissenschaftler. „Mit diesem Wissen können Meteorologen das lokale Klima genauer vorhersagen.“ Die Ergebnisse dieser Forschungen fließen in das Projekt Atmoflow zur Untersuchung planetarer, atmosphärischer Strömungen auf der Internationalen Raumstation (ISS) ein.

Nach aktuellem Stand ist der Flug zur ISS für 2026 oder 2027 geplant.
Ziel des BTU-Projekts ist die Etablierung eines Simulationsmodells, das auf Basis der Daten aus dem Kugelmodell atmosphärische Konvektionsprozesse berechnet. Durch Änderung der Randbedingungen – wie beispielsweise höhere Temperaturen an Nord- und Südpol – können mit diesem Modell auch Auswirkungen des Klimawandels auf Strömungsprozesse simuliert und mögliche Folgen abgeschätzt werden. Das Team besteht weiterhin aus Dr. Peter Szabo, M.Sc. Peter Haun, M.Sc. Yaraslau Sliavin und M.Sc. Yann Gaillard-Röpke.

Hintergrund
Russland, die USA, Japan und Europa betreiben die ISS und ihre Forschungsmodule gemeinsam noch mindestens bis zum Jahr 2030. Allein aus Deutschland laufen 40-50 Experimente verschiedener Disziplinen und Einrichtungen in der Schwerelosigkeit der Raumstation.

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 7. März 2024.

München, den 3. März 2024 – Seit vielen hundert Millionen Jahren variiert die mittlere Temperatur auf der Oberfläche der Erde um nicht viel mehr als 20° Celsius und macht Leben auf unserem Planeten möglich. Um diese stabile Temperaturlage zu erklären, muss es eine Art „Thermostat“ geben, der über geologische Zeiträume hinweg die für die globale Temperatur entscheidende Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre reguliert. Eine wichtige Rolle für diesen Erd-Thermostat spielen dabei die Erosion und Verwitterung von Gestein. Ein Team um den Geologen Aaron Bufe von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und Niels Hovius vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) hat nun den Einfluss dieser Prozesse auf die Kohlenstoffbilanz der Atmosphäre modelliert. Das überraschende Ergebnis: Die CO₂-Aufnahme durch Verwitterungsreaktionen ist in Mittelgebirgen mit moderaten Erosionsraten am höchsten; nicht in Hochgebirgen, in denen Gesteine besonders schnell erodieren.

Sobald Gestein durch Erosion freigelegt und Wind und Wetter ausgesetzt wird, setzt Verwitterung ein. „Bei der Verwitterung von Silikaten wird der Atmosphäre Kohlenstoff entzogen und später als Kalk ausgefällt. Andere Verbindungen dagegen, etwa Karbonate und Sulfide oder im Stein enthaltener organischer Kohlenstoff, setzen bei der Verwitterung CO₂ frei. Diese Reaktionen laufen viel schneller ab als die Silikatverwitterung“, erläutert Hovius. „Bei der Frage, was der Effekt von Erosion und Gebirgsbildung auf die Kohlenstoffbilanz ist, gibt es daher einige Komplikationen.“

Verwitterungsmodell zeigt gemeinsame Mechanismen
Um ein klareres Bild zu gewinnen, analysierten die Forschenden mithilfe von mathematischen Verwitterungsmodellen Daten zum Ausmaß der Sulfid-, Karbonat- und Silikatverwitterung in unterschiedlichen Untersuchungsgebieten – etwa in Taiwan und Neuseeland – und ermittelten, wie die Verwitterung des jeweiligen Gesteins auf Änderungen der Erosionsrate reagiert. „Dabei fanden wir für alle Standorte Übereinstimmungen, die auf gemeinsame Mechanismen hinweisen“, sagt Bufe.

Weitere Modellrechnungen zeigten, dass der Zusammenhang zwischen Erosion und CO₂-Bilanz nicht linear ist, sondern dass die CO₂-Speicherung bei einer Erosionsrate von ungefähr 0,1 Millimeter pro Jahr ein Optimum erreicht. Sowohl bei niedrigeren als auch bei höheren Raten wird durch Verwitterung weniger CO₂ gespeichert beziehungsweise sogar zunehmend CO₂ freigesetzt. „Hohe Erosionsraten wie in Taiwan oder dem Himalaya treiben das System in Richtung einer CO₂-Quelle, weil die Silikatverwitterung bei steigenden Erosionsraten irgendwann nicht mehr ansteigt, während die Verwitterung von Karbonaten und Sulfiden noch weiter zunimmt“, erklärt Bufe.

In Landschaften mit moderaten Erosionsraten um 0,1 Millimeter pro Jahr dagegen sind die schnell verwitternden Karbonate und Sulfide schon weitgehend verbraucht, während die Silikatverwitterung in großem Umfang stattfinden kann. In Landschaften mit wenig Topographie und Hebung, in denen noch weniger Material abgetragen wird, gibt es schließlich nur noch wenig zu verwittern. Die größten CO₂-Senken sind daher Mittelgebirge wie der Schwarzwald oder der Bayerische Wald, deren Erosionsraten sich nahe dem Optimum bewegen. „Die Temperatur, auf die der ‚Erd-Thermostat‘ eingestellt ist, ist über geologische Zeiträume also vor allem von der globalen Verteilung der Erosionsraten abhängig“, sagt Bufe. Um die Auswirkungen von Erosion auf das Klimasystem der Erde noch genauer zu verstehen, müssten seiner Ansicht nach in zukünftigen Studien noch die organischen Kohlenstoffsenken und die Verwitterung in Überschwemmungsgebieten berücksichtigt werden.

Publikation
Aaron Bufe, Jeremy K.C. Rugenstein, and Niels Hovius: CO₂ drawdown from weathering maximized at moderate erosion rates. Science 2024. DOI 10.1126/science.adk0957
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk0957

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