Quelle: ESA / Applications, 7. Januar 2026

Als viele Menschen in ganz Europa nach den Feiertagen diese Woche wieder zur Arbeit und zur Schule gingen, fegte eine scharfe Kältewelle über den Kontinent und brachte Schnee und Eis in mehrere Regionen. Das plötzliche Winterwetter verursachte weitreichende Störungen, mit gefährlichen Straßenverhältnissen, gestrandeten Reisenden und zahlreichen Zug- und Flugausfällen, die während der ganzen Woche gemeldet wurden.
Dieses Bild, aufgenommen von der Copernicus Sentinel-2-Mission am 6. Januar 2026, zeigt Amsterdam in den Niederlanden unter einer Schneedecke. Die Kanäle, Parks und die dichte Stadtstruktur sind unter der weißen Decke deutlich zu erkennen, was sowohl den Schneefall als auch die Fähigkeit der Mission unterstreicht, Wetterereignisse und ihre Auswirkungen auf städtische Gebiete aus dem Weltraum zu beobachten.

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• Planet Erde

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Quelle: Universität Innsbruck 19. Juli 2024.

19. Juli 2024 – Die Forschungsgruppe von Thomas Lörting am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck beschäftigt sich mit den vielfältigen und besonderen Eigenschaften von Eis und Wasser. So haben die Wissenschaftler:innen im Labor neue Eisformen entdeckt und konnten in der Vergangenheit zeigen, dass Wasser aus zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten besteht. Die Arbeitsgruppe ist in der Lage, im Labor auch Eisformen herzustellen, die nicht natürlich auf der Erde vorkommen, in den Weiten des Weltalls aber sehr wohl. „Für die Herstellung dieser Eisformen benötigt es sehr tiefe Temperaturen und/oder einen sehr hohen Druck“, erklärt die Chemikerin Christina M. Tonauer aus dem Team von Thomas Lörting. Die Erkenntnisse zu den Eisformen finden in verschiedenen Bereichen Anwendung. Für die Weltraumforschung sind sie wichtig, weil so die Bedingungen ergründet werden können, unter denen dort Eis entsteht, und wo es zu finden ist.

Zwanzig verschiedene Eisformen sind bisher bekannt. Und während auf der Erdoberfläche nur sogenanntes hexagonales Eis beobachtet wird, vermutet die Wissenschaft im Inneren der Eisgiganten Uranus und Neptun oder auf den von kilometerdicken Eisschichten überzogen Eismonden von Jupiter und Saturn eine Vielzahl unterschiedlicher Eisstrukturen. Zum ersten Mal liefern die Innsbrucker Chemiker:innen nun Spektren dieser Eisformen im Nahinfrarotbereich, einem Frequenzbereich, in dem auch das neue James-Webb-Weltraumteleskop misst. Die im Weltall gemessenen Daten können mit den im Labor in Innsbruck ermittelten Spektren verglichen werden und so Aussagen über Art und Struktur des Eises im All gewonnen werden.

Neue Messmethode entwickelt
Gelungen ist Christina M. Tonauer die Erstellung der Nahinfrarotspektren in Kooperation mit der Forschungsgruppe um Christian Huck am Institut für Analytische Chemie und Radiochemie der Universität Innsbruck, einem Spezialisten der Nahinfrarot-Spektroskopie. „Die große Schwierigkeit war, das Eis für die Dauer der Messung auf minus 196 Grad Celsius zu halten, damit es sich nicht umformt“, erzählt Christina M. Tonauer. „Wir mussten eine Methode entwickeln, um die Proben unter Zuhilfenahme von flüssigem Stickstoff in einem für Raumtemperaturen konzipierten Spektrometer messen zu können.“

Die Wissenschaftler:innen waren erfolgreich und fanden in den Spektren im Wellenlängenbereich von 1 bis 2,5 Mikrometer zahlreiche charakteristische Merkmale, anhand derer etwa die Dichte und Porosität des Eises bestimmt werden können. „In diesem Wellenlängenbereich misst auch einer der Spektrografen am James-Webb-Weltraumteleskop“, erklärt Thomas Lörting. „Unsere Labordaten können als Referenzwerte für die Interpretation von Messungen im All herangezogen werden. So lernen wir vielleicht bald mehr über das Eis und Wasser im All.“

Die Forschung fand im Rahmen der Forschungsplattform Material- und Nanowissenschaften an der Universität Innsbruck statt, die Anfang des Jahres zum Forschungsschwerpunkt Funktionelle Materialwissenschaften (FunMAT) aufgewertet wurde.

Originalpublikation:
Near-infrared Spectroscopy for Remote Sensing of Porosity, Density and Cubicity of Crystalline and Amorphous H₂O Ices in Astrophysical Environment. Christina Tonauer et al. The Astrophysical Journal 2024
DOI: doi.org/10.3847/1538-4357/ad4f82
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4f82
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4f82/pdf

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• Leben im Universum

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Quelle: GFZ 13. Juni 2024.

13. Juni 2024 – Mittlerweile planen die US-Weltraumbehörde NASA, die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), und das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ die dritte Generation, weil die Messungen völlig neue Einblicke in das System Erde und vor allem in den globalen Wasserkreislauf ermöglicht haben.

Hochrangige Delegation aus den USA besucht Deutschland
Auf Einladung der Koordinatorin der Bundesregierung für die Luft- und Raumfahrt, Dr. Anna Christmann, war eine hochrangige US-Delegation anlässlich der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung ILA (5.-9. Juni) ins Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) nach Berlin gekommen. Der geschäftsführende Sekretär des Nationalen Weltraumrates der USA, Chirag Parikh, führte die Delegation an. In einem eigenen Panel stellten Forschende des Jet Propulsion Laboratory der NASA und des GFZ den Teilnehmenden des Raumfahrtdialogs das Messprinzip und die wissenschaftlichen Erfolge der Missionen GRACE (2002 bis 2017) und GRACE Follow-On (seit 2018 im All) vor. GRACE-C soll voraussichtlich 2028 starten, das C steht für Continuity.

Wie Wassermassen vom Weltall aus gemessen werden
GRACE misst Massenveränderungen auf und in der Erde, indem es deren Effekt auf ein Satelliten-Duo aufzeichnet, das mit 220 Kilometer Abstand (das entspricht in etwa der Entfernung von Berlin und Jena) hintereinander unseren Planeten in rund 500 Kilometer Höhe umkreist. Wird ein Satellit schneller, weil er als erstes auf ein massereiches Objekt zufliegt, vergrößert sich der Abstand um Bruchteile einer Haaresbreite. Mittels Mikrowellen und seit GRACE Follow-On auch per Laser-Interferometrie können diese Abstandsänderungen gemessen werden. Hinzu kommen GPS-Empfänger an Bord sowie Beschleunigungsmesser, um einerseits die Position der Satelliten zu bestimmen und andererseits Bremseffekte zu erkennen, die etwa durch Reibung an atmosphärischen Teilchen entstehen.

Aus all diesen Daten errechnen die Forschenden monatliche Karten der globalen Änderungen der Erdanziehungskraft und der dazugehörigen Massenveränderungen. Diese beinhalten Variationen im Grundwasser, der Bodenfeuchte, von Oberflächengewässern oder Schnee- und Eisbedeckung. Mit Hilfe von komplementären Beobachtungen oder Modelldaten lassen sich so aus GRACE-Daten einzigartig beispielsweise Grundwasserveränderungen global und auf monatlicher Basis ableiten.

Lange Zeitreihen sind essenziell
Die Messungen seit mehr als 22 Jahren zeigen zum Beispiel für Grönland einen dramatischen Verlust an Eismasse: mehr als 250 Milliarden Tonnen jedes Jahr. Aber auch Deutschland hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten Wassermasse verloren. Trotz des nassen Jahres 2023 fehlen nach den schweren Dürrejahren seit 2018 immer noch rund 10 Milliarden Tonnen im Gesamtwasserspeicher.

Für die Raumfahrtkoordinatorin der Bundesregierung ist GRACE-C „ein Schlüsselprojekt“. Anna Christmann sagte: „Wir brauchen Langzeitstudien, um das Klima zu verstehen. Die Datensammlung zum globalen Wasserhaushalt der Erde, die durch die GRACE-Satelliten seit über 20 Jahren erzeugt wird, ist daher von enormer Bedeutung. GRACE-C ist deshalb auch ein wichtiges Schlüsselprojekt der neuen Raumfahrtstrategie der Bundesregierung, da es in den Handlungsfeldern Klimaschutz und internationale Zusammenarbeit große Beiträge zur Umsetzung der Ziele leistet. Die Mission ist ein absolutes Leuchtturmprojekt.“

Auch Susanne Buiter, wissenschaftliche Vorständin des GFZ, betonte die Bedeutung der langen Zeitreihen: Ziel sei es, mit dem Start von GRACE-C voraussichtlich im Jahr 2028 dann eine Klimaperiode von insgesamt 30 Jahren erfassen zu können. Sie lenkte den Blick noch einmal auf das revolutionäre Messprinzip und dessen Geschichte, die auch mit dem ersten Satelliten des GFZ verbunden sei. GFZ-1 war 1995 von der russischen Raumstation „Mir“ aus ins All gebracht worden und kreiste fünf Jahre lang so tief um die Erde, dass die Auswirkungen des Schwerefelds deutlich messbar seine Bahn beeinflussten. „Dass wir aus Schwerefelddaten einmal die Folgen der Erderwärmung und insbesondere Veränderungen im globalen Wasserkreislauf wie Dürren, Grundwasservariationen oder Eismassenverluste so genau würden bestimmen können, war damals kaum zu glauben. Und heute blicken wir auf mehr als zwei Jahrzehnte mit monatlichen Schwerefeldkarten zurück“, sagte Susanne Buiter.

Dr. Jens Brandenburg, Parlamentarischer Staatssekretär im BMBF, hob bei der gemeinsamen Pressekonferenz hervor, dass die Forschung weltweit von den gewonnenen Daten profitiere: „GRACE und GRACE-FO gehören zu den am häufigsten zitierten Missionen in den Berichten des Weltklimarates IPCC. Tausende von wissenschaftlichen Publikationen basieren auf den Daten der beiden Satelliten-Duos. Dies unterstreicht die herausragende internationale Vernetzung der deutschen Erdsystemforschung und die hohe Bedeutung der GRACE-Missionen. So können durch den Klimawandel bedingte Veränderungen dokumentiert und mit mehrjährigem Vorlauf Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung geplant werden.“

Dr. Walther Pelzer, Vorstand der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, lenkte den Blick auf die deutsch-amerikanische Kooperation. Die Partnerschaft zwischen dem Jet Propulsion Laboratory der NASA und den deutschen Partnern „ist ein Zeichen für die Qualität der Raumfahrtindustrie und -wissenschaft in Deutschland“, so Pelzer.

Hintergrund zu GRACE-C
Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter Beteiligung des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) in Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover umgesetzt. Gebaut werden die beiden Satelliten im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen.

Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Messung von winzigen Abstandsabweichungen zwischen den beiden Satelliten auf ihrem Weg um unsere Erde. Bei GRACE-C wird diese Entfernung mittels Laser-Interferometrie bestimmt. Wichtige Teile des Instruments kommen dabei von der SpaceTech GmbH in Immenstaad (STI), unterstützt vom Albert-Einstein-Institut in Hannover im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam wird für den Aufbau und die Durchführung der wissenschaftlichen Auswertungen im sogenannten Science Data System (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein. In der Betriebsphase nach dem Start der beiden Satelliten wird das GFZ für den operationellen Betrieb, also die permanente Überwachung und Steuerung der Instrumente und der Satelliten von GRACE-C, verantwortlich sein. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten, im Auftrag des GFZ, nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GSOC) in Oberpfaffenhofen gesteuert.

Weitere Informationen zu den GRACE-Satellitenmissionen stellen wir Ihnen über unser neues Informationsportal bereit:
www.globalwaterstorage.info

Insbesondere werden hier die relevanten Informationen zur globalen Wasserverfügbarkeit gebündelt, deren Grundlage die Daten der GFZ/NASA-Satellitenmissionen GRACE und GRACE-FO sind.
In anschaulich dargestellten Artikeln und Blogbeiträgen beschreiben die Wissenschaftler:innen viel Wissenswertes rund um das einzigartige Messprinzip, und stellen wichtige Forschungsergebnisse über ausgewählte Karten, Grafiken oder Animationen dar.

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• GRACE-C

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Quelle: Freie Universität Berlin 14. Mai 2024.

14. Mai 2024 – Im Jahr 2018 wurden in Eispartikeln des Saturnmonds Enceladus sehr große organische Moleküle entdeckt. Noch ist unklar, ob sie auf die Existenz von Leben hindeuten oder auf andere Weise entstanden sind. Eine aktuelle Studie könnte helfen, diese Frage zu beantworten. Bedingungen, die zur Entstehung oder Aufrechterhaltung von Leben in extraterrestrischen Ozeanen führen können, könnten demnach molekulare Spuren in Eiskörnern hinterlassen. Die Arbeiten wurden an der Freien Universität Berlin durchgeführt – der leitende Wissenschaftler Dr. Nozair Khawaja ist gerade an die Universität Stuttgart gewechselt.

Die Wiege des Lebens auf der Erde befand sich vermutlich in einem Heißwasser-Schlot auf dem Grund des Ozeans. „In der Forschung sprechen wir auch von einem Hydrothermal-Feld“, erklärt Dr. Nozair Khawaja vom Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart. „Es gibt gute Hinweise darauf, dass in solchen Feldern Bedingungen herrschen, die für die Entstehung oder Aufrechterhaltung einfacher Lebensformen wichtig sind.“

Möglicherweise gibt es derartige Schlote auch auf einem Himmelskörper, der nach kosmischen Maßstäben nicht weit von unserem Heimatplaneten entfernt ist: dem Saturnmond Enceladus. Der Trabant misst ungefähr 500 Kilometer im Durchmesser, seine Oberfläche ist mit einer 30 Kilometer dicken Hülle aus Eis bedeckt. Im Jahr 2005 entdeckten Wissenschaftler*innen über seinem Südpol eine riesige Wolke aus Eispartikeln. Drei Jahre später durchflog die NASA-Raumsonde Cassini diese Wolke. Die Messinstrumente der Sonde offenbarten Erstaunliches: Die Zusammensetzung der Partikel deutete mit großer Sicherheit darauf hin, dass unter Enceladus‘ Eisdecke ein Ozean aus flüssigem Wasser vorhanden sein muss.

Enceladus-Meer enthält organische Moleküle
Khawaja hat die Daten der Cassini-Mission zusammen mit dem Planetologen Professor Frank Postberg von der Freien Universität (FU) Berlin genauer analysiert. „In den Jahren 2018 und 2019 sind wir dabei auf verschiedene organische Moleküle gestoßen, darunter auch solche, die typischerweise Bausteine biologische Verbindungen sind.“ Die Daten wurden mit einem niedrig auflösenden Messinstrument von Cassini aufgezeichnet. Dennoch könnten sie darauf hindeuten, dass der Ozean auf dem Saturnmond Enceladus voll von organischen Molekülen ist. „Und das bedeutet möglicherweise, dass dort chemische Reaktionen ablaufen, die irgendwann zu Leben führen könnten.“

Forscher*innen vermuten auch auf dem Grund des Enceladus-Meeres Hydrothermalfelder. Unklar war bislang, ob die entdeckten organischen Moleküle in diesen Feldern entstanden sind. Khawaja hat nun zusammen mit seinen Mitarbeiter*innen Lucia Hortal und Thomas Sullivan nach einer Möglichkeit gesucht, diese Frage zu beantworten. „Dazu haben wir an der FU Berlin im Labor die Parameter eines möglichen Hydrothermalfelds auf Enceladus simuliert“, sagt Khawaja, der gerade von der Freien Universität Berlin an die Universität Stuttgart gewechselt ist. „Dann haben wir untersucht, welche Auswirkungen diese Bedingungen auf eine einfache Kette von Aminosäuren haben.“ Aminosäuren sind die Grundbausteine von Proteinen und die Basis sämtlichen Lebens, wie wir es kennen.

In der Testapparatur herrschten Temperaturen von 80 bis 150 Grad Celsius und ein Druck von 80 bis 100 bar – etwa hundertmal höher als auf der Erdoberfläche. Unter diesen extremen Verhältnissen veränderten sich die Aminosäureketten mit der Zeit auf charakteristische Weise. Doch lassen sich diese Änderungen mit den Messinstrumenten auf Raumsonden überhaupt nachweisen? Anders gefragt: Hinterlassen sie eine unverwechselbare Signatur, die man in den Daten von Cassini (oder auch künftiger Raummissionen) finden können müsste?

Hydrothermalfelder hinterlassen Spuren in den Messdaten
Das Messinstrument an Bord der Cassini-Raumsonde, der sogenannte Cosmic Dust Analyzer, analysiert Staub- und Enceladus-Eispartikel im All, die mit Geschwindigkeiten von bis zu 20 Kilometern pro Sekunde unterwegs sind. Der High-Speed-Crash führt dazu, dass das Material verdampft und die Moleküle in ihm zertrümmert werden. Die Bruchstücke verlieren dabei Elektronen und sind dann positiv geladen. Sie lassen sich mit einer negativ geladenen Elektrode anziehen und treffen dort dann umso früher ein, je leichter sie sind. Wenn man die Laufzeit aller Bruchstücke misst, erhält man ein sogenanntes Massenspektrum. Daraus kann man dann Rückschlüsse auf das Ursprungsmolekül ziehen.

Im Labor lässt sich diese Messmethode nur mit großem Aufwand anwenden. „Wir haben stattdessen erstmals für Eispartikel, die hydrothermal verändertes Material enthielten, eine alternative Messmethode namens LILBID genutzt“, erklärt Khawaja. „Sie liefert ganz ähnliche Massenspektren wie das Cassini-Instrument. Damit haben wir unsere Aminosäurekette vor und nach dem Versuch vermessen. Dabei sind wir auf charakteristische Signale gestoßen, die durch die Reaktionen in unserem simulierten Hydrothermalfeld hervorgerufen wurden.“ Die Forschenden werden dieses Experiment nun mit weiteren organischen Molekülen unter erweiterten geophysikalischen Bedingungen im Enceladus-Ozean wiederholen. Ihre Ergebnisse ermöglichen es, die Cassini-Daten (oder auch die Daten künftiger Missionen) auf solche Signaturen zu durchforsten. Falls man sie findet, wäre das ein weiterer Hinweis auf die Existenz eines Hydrothermalfeldes auf Enceladus. Damit stiege auch die Wahrscheinlichkeit, dass auf Enceladus Leben entstehen und überdauern kann.

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• Leben im Sonnensystem

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Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 22. März 2024.

22. März 2024 – Obwohl die beiden riesigen Eisfelder in den Anden Südamerikas mit rund 16.000 Quadratkilometern eine Fläche von der Größe Thüringens bedecken, ist über diese Patagonische Eiskappe recht wenig bekannt. Das versucht ein Team um Dr. Johannes Fürst vom Geographischen Institut der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gerade zu ändern. Mit den vorhandenen, eher spärlichen Daten und neuesten Methoden hat die Gruppe das Volumen der beiden Eisfelder auf 5351 Kubikkilometer im Jahr 2000 neu eingeschätzt. In diesen beiden Eiskappen steckt demnach vierzigmal mehr Eis als in allen Gletschern der europäischen Alpen zusammen. Ihre Erkenntnisse haben die Forscher im Fachmagazin Communications Earth & Environment veröffentlicht.

Die Patagonischen Eisfelder stellen die Gletscher Europas also weit in den Schatten. Das zeigen bereits ihre riesigen Ausdehnungen: Schon das Nördliche Patagonische Eisfeld ist ungefähr 120 Kilometer lang und an manchen Stellen 50 bis 70 Kilometer breit. Das Südliche Patagonische Eisfeld hat mehr als die dreifache Fläche und erstreckt sich bei einer durchschnittlichen Breite von 30 bis 40 Kilometern rund 350 Kilometer von Nord nach Süd. Im Durchschnitt sind die Eismassen dort mehr als 250 Meter dick und damit rund fünfmal mächtiger als die Gletscher der europäischen Alpen.

Dazu kommt ein außergewöhnliches und zum Teil extremes Klima. Ähnlich wie in Mitteleuropa wehen die Winde auch in diesen Regionen Südamerikas oft von West nach Ost und tragen so feuchte Luft von den Ozeanen ins Land hinein. Der entscheidende Unterschied liegt in den Anden, die sich in Südamerika von Norden nach Süden erstrecken und so mit Höhen von oft weniger als 3000 Metern im Süden und teilweise 6000 Metern in den subtropischen und tropischen Regionen die feuchten, vom Pazifik hereinströmenden Luftmassen zum Aufsteigen zwingen. Dabei kühlen sie ab, können weniger Feuchtigkeit halten, und es beginnt je nach Höhenlage und Jahreszeit zu regnen oder zu schneien.

In den Regionen zwischen der Pazifikküste und den Anden fallen daher jährlich oft mehr als 3000 Millimeter Niederschlag. Jeder Quadratmeter Boden bekommt daher im Jahr 3000 Liter Regen, Schnee und Hagel ab. Im Vergleich erhalten Städte wie Nürnberg mit etwa 550 und München mit rund 930 Litern recht wenig Niederschlag. Westlich der Anden im Süden Chiles wächst daher in einem meist kühlen Klima ein dichter Regenwald, in dem nur sehr wenige Menschen leben. In den Hochlagen der Berge regnen sich die Wolken dann ab, und die Winde bringen dann in die Gebiete östlich der Anden relativ trockene Luft. Dort erstreckt sich daher über viele hundert Kilometer eine karge Steppenlandschaft, die ebenfalls nur dünn besiedelt ist.

Die beiden Patagonischen Eisfelder liegen also in einer recht abgelegenen Weltregion, in der deutlich weniger Klima- und Geodaten gemessen werden als zum Beispiel in Mitteleuropa. Obendrein streiten Argentinien und Chile seit langem über den Verlauf der Grenze, und ausgerechnet im Bereich der Südlichen Patagonischen Eiskappe haben sie diesen Konflikt auf Eis gelegt und damit große Teile der Gletscherflächen praktisch zu einem nur sehr schwer zugänglichen Niemandsland erklärt. Was geographische Messungen dort fast unmöglich macht.

Dazu kommt noch ein weiteres Problem: Die Niederschläge nehmen mit jedem Meter zu, den die Luftmassen an der Westflanke der Anden in die Höhe steigen. In den Gipfellagen und auf den beiden Patagonischen Eisfeldern schneit es daher sehr große Mengen. „Wir wissen allerdings nicht, wieviel Niederschlag dort tatsächlich fällt“, erklärt FAU-Forscher Johannes Fürst. Dort oben kommen nämlich so große Mengen, dass eine Wetterstation kaum dauerhaft betrieben werden könnte, weil in dieser abgelegenen Weltregion Störungen zumindest nicht rasch behoben werden können. Und weil die riesigen Schneemassen dort immer wieder Teile oder gar die gesamte Mess-Station zerstören könnten.

Ob dort also 10.000 oder vielleicht sogar 30.000 Liter Niederschlag im Jahr auf jeden Quadratmeter fallen, ist weitgehend unbekannt. „Spekulationen über den maximalen Schneefall reichen von weit über 30 Metern bis hin zu 100 Metern pro Jahr“, sagt Johannes Fürst. „Das sind unvorstellbare Mengen.“ Weil sich dort oben aus diesen Schneemassen mit der Zeit das Eis der Gletscher bildet, wären solche Zahlen wichtig, um die Vorgänge besser zu verstehen. Sicher ist jedenfalls eines: Die riesigen Niederschlagsmengen versorgen die Eiskappe laufend mit sehr viel Nachschub, der bald wieder talwärts fließt.

Das wiederum lässt die Gletscher, die aus den Patagonischen Eiskappen kommen, sehr rasch strömen. Während sich das Eis in den europäischen Alpen nur selten hundert Meter im Jahr nach unten schiebt, überschreiten die meisten Gletscher der Patagonischen Eisfelder dieses Tempo. Etliche von ihnen fließen sogar mit mehr als einem Kilometer im Jahr talwärts, einige erreichen sogar ein Tempo von mehreren Kilometern im Jahr. So hohe Geschwindigkeiten sind sonst nur von den Gletschern bekannt, die aus den mit Abstand größten Eiskappen der Erde über Grönland und über der Antarktis strömen.

Obendrein verlieren die Gletscher der Patagonischen Eisfelder nach Studien von Matthias Braun vom Institut für Geographie der FAU im Klimawandel jedes Jahr auch noch durchschnittlich einen Meter Eisdicke. Auch das ist ein rekordverdächtiger Wert und ein guter Grund dafür, die Patagonischen Eiskappen möglichst gut im Auge zu behalten und mit den Methoden der modernen Wissenschaft zu vermessen. Genau das hat Johannes Fürst jetzt in enger Zusammenarbeit vor allem auch mit chilenischen Forschungsorganisationen getan. Dabei hat die Gruppe die vorhandenen, oft nur spärlichen Messungen vor Ort mit den deutlich gröberen Satelliten-Daten verglichen. Damit wiederum lassen sich die Ergebnisse aus dem Weltraum kalibrieren und so auch die Eisdicken in abgelegenen Regionen ohne Vor-Ort-Daten besser abschätzen.

So gewinnt man auch Daten vom Boden unter dem Eis. Damit aber kann man viel besser einschätzen, wie schnell ein Gletscher in Zukunft schwinden dürfte. So kann sich unter dem Eis zum Beispiel eine Mulde im Gelände verbergen. Zieht der Gletscher sich zurück, kann sein Schmelzwasser diese Vertiefung zu einem See auffüllen. Endet dort die Eisfront, kann das relativ warme Wasser den Gletscher von unten angreifen. Dadurch kann oben mehr Eis abbrechen und so den Rückgang des Gletschers weiter beschleunigen.

Der FAU-Glaziologe und sein Team haben daher gute Gründe, die Patagonische Eiskappe auch vor Ort zu vermessen. Dabei fliegen sie mit einem Helikopter über den Gletscher und messen mit Radar-Strahlen die Tiefe des Eises bis auf wenige Meter genau. Und verbessern so die Daten dieses sehr dynamischen Eises kräftig. Solche Daten aber sind für die Klimaforschung sehr wichtig, weil die Patagonischen Eisfelder mit steigenden Temperaturen sehr rasch Eis verlieren. Da mit jedem Meter Fahrt mit einem Benzin- oder Diesel-Auto langfristig ein Zuckerwürfel Gletschereis schmilzt, will Johannes Fürst diese Eisfelder gut im Auge behalten, um gefährliche Entwicklungen besser als bisher einschätzen zu können.

Publikation:
https://www.nature.com/articles/s43247-023-01193-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s43247-023-01193-7.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: GFZ 21. März 2024.

21. März 2024 – Am 22. März ist der Welttag des Wassers. Vermeintlich allgegenwärtig, ist Wasser längst in weiten Teilen der Welt zur kostbaren und knappen Ressource geworden. Der Klimawandel hat die Situation vielerorts verschärft. Auch Deutschland hat in den vergangenen fünf Jahren drastische Dürren erlebt. Für das Jahr 2023 haben jetzt Forschende um Eva Börgens und Christoph Dahle vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ den soeben komplettierten aktuellsten Datensatz des Satellitenduos GRACE-Follow-On ausgewertet, der auf Basis von Schwerefeldmessungen genaue Einblicke in die Wasserbilanz der Erde ermöglicht. Sie zeigen, dass sich der Gesamtwasserspeicher in Deutschland im Jahr 2023 zwar etwas erholt hat, dass im Vergleich zum langjährigen Mittel aber immer noch rund 10 Milliarden Tonnen fehlen. Zum Vergleich: Der Bodensee fasst in etwa 48 Milliarden Tonnen Wasser. Für Europa ist gegenüber dem Mittelwert seit Beginn der Messungen im Jahr 2002 ein Rückgang des Gesamtwasserspeichers um rund 100 Milliarden Tonnen zu verzeichnen. Daraus lässt sich zum aktuellen Zeitpunkt allerdings noch kein eindeutiger Trend ableiten.

Der sogenannte terrestrische Gesamtwasserspeicher TWS (von engl. Terrestrial Water Storage) setzt sich zusammen aus den Wasserkreislaufkomponenten Eis (also Gletscher), Schnee, Bodenfeuchte, Grundwasser sowie dem Oberflächenwasser in Flüssen, Seen und künstlichen Reservoiren. TWS ist eine wichtige Messgröße für die Umwelt- und Klimaforschung. Sie gehört mittlerweile offiziell zu den 54 „Essenziellen Klimavariablen“, die entscheidend zur Charakterisierung des Erdklimas beitragen und wichtige Basis für die Arbeit des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) sind. Der TWS wird von der deutsch-amerikanischen GRACE-FO-Mission zur Verfügung gestellt.

Damit liefern die Schwerefeldmissionen nicht nur wertvolle Daten zum Wasser auf und unter der Erdoberfläche, sondern auch zur Massenbilanz der großen Inlandeisschilde über Grönland und der Antarktis. Der Trend ist hier dramatisch: Jahr für Jahr verliert Grönland rund 224 Milliarden Tonnen an Eis und die Antarktis, die ungleich kälter ist, 138 Milliarden Tonnen.

Neues Informationsportal des GFZ zur globalen Wasserspeicherung
Diese und weitere aktuelle sowie hintergründige Informationen zu den GRACE-Satellitenmissionen, ihrem Messprinzip und der Datenauswertung, aber auch zu Forschungsprojekten sowie Animationen und Karten finden Sie in dem neuen Informationsportal globalwaterstorage.info, das das GFZ eingerichtet hat. Beispielsweise findet sich hier eine animierte Zeitreihe, die eindrücklich zeigt, wie Europas Gesamtwasserspeicher seit 2002 immer kleiner geworden ist. Faktenblätter und Themendossiers ergänzen das Angebot, das sich insbesondere an Vertreter:innen der Medien und politische Entscheidungsträger:innen, aber auch an die breite interessierte Öffentlichkeit richtet.

Schwerefeldmission wird fortgesetzt und auch künftig wichtige Wasser- und Klimadaten liefern
Seit 2002 liefern die Tandem-Satelliten der GRACE- bzw. seit 2018 der nachfolgenden GRACE-FO-Mission wichtige Daten für die Klimabeobachtung: GRACE steht für Gravity Recovery and Climate Experiment, übersetzt: Schwerkraftermittlungs- und Klimaexperiment. Sie ist eine gemeinsame Mission der NASA, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR sowie des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ mit weiteren Forschungs- und Industriepartnern. Die Satelliten ermöglichen die kontinuierliche Überwachung des Schwerefelds der Erde. Auf Basis von dessen winzigen Änderungen können zeitliche und räumliche Veränderungen im globalen Wasser- und Eishaushalt ermittelt werden – und damit auch der Einfluss, den der Klimawandel darauf hat.

Die an den GRACE-Missionen beteiligten Forschungseinrichtungen in den USA und Deutschland, die Industriepartner sowie die Bundesministerien für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und für Bildung und Forschung (BMBF) haben sich geeinigt, die Mission fortzusetzen: Voraussichtlich 2028 wird GRACE-C starten und auch weiterhin das Schwerefeld der Erde vermessen. Damit ist sichergestellt, dass die Vermessung des Wasserkreislaufs der Erde über eine Zeitspanne von wenigstens rund 30 Jahren erfolgen kann – ein Zeitraum, der als Klimaperiode gilt.

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• 2x GRACE-FO und 5x Iridium NEXT auf Falcon 9 ♺

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Quelle: Naturhistorisches Museum Wien 21. März 2024.

21. März 2024 – Die Fossilienwelt Weinviertel öffnet mit einer vom NHM Wien kuratierten, neuen Ausstellung am Ostermontag, 1. April 2024, nach der Winterpause wieder ihre Türen. Die Schau „Eisplanet und Hitzehölle. Klimaextreme in der Erdgeschichte“ entführt in eine tropische Vergangenheit, als Teile Österreichs von einem warmen Meer bedeckt waren, und man auch im Winter baden hätte können.

Im Vergleich zu den Klimaschwankungen der Erdgeschichte ist das tropische Intermezzo vor 16 Millionen Jahren aber kaum erwähnenswert. Über Milliarden von Jahren geriet das Klima der Erde immer wieder in Schieflage und reichte vom unwirtlichen Eisplaneten zur glühenden Hitzehölle.

Wir leben derzeit in einer warmen Phase einer Eiszeit, die vor 2,6 Millionen Jahren begann. Aufgrund der sich ändernden Umlaufbahn der Erde und durch Änderungen der Ausrichtung der Erdachse wechseln sich seitdem sehr kalte Perioden mit relativ warmen Phasen ab. Den letzten Kälte-Höhepunkt erreichte die Eiszeit vor etwa 25.000 Jahren, als sich Niederösterreich in eine karge Mammutsteppe verwandelte. Wesentlich dramatischer war aber die Eiszeit vor 700 Millionen Jahren, als sogar die Ozeane weitgehend zugefroren waren. Für das Leben war dieser „Snownball Earth“ fast das Ende. Ursache war unter anderem die damals noch geringere Strahlkraft der Sonne. Gerettet wurde die Erde durch Vulkane, die das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) in die Atmosphäre bliesen und so wieder zur Erwärmung führten.

Ein krasses Gegenteil zum Eisplaneten war das Super-Treibhaus vor 250 Millionen Jahren. Damals vereinten sich die meisten Kontinente zu einem gigantischen Großkontinent, Pangaea. Wolken gelangten kaum auf den gewaltigen Kontinent, der extrem trocken wurde und sich bei Jahresdurchschnitts-Temperaturen von über 40° C enorm aufheizte. Wieder begann für das Leben eine dramatische Krise. Wälder verschwanden und in weiten Teilen Europas breiteten sich Wüsten aus. Mehr als 96% aller Tiere starben aus. Die harten Schalen der Eier von Reptilien erwiesen sich nun aber als Überlebensvorteil. Sie schützten vor der Trockenheit. Ohne die Klimakatastrophe vor 250 Millionen Jahren wären daher die Dinosaurier nie entstanden und letztlich hätte es auch uns Menschen nie gegeben. Denn wir stammen, wie alle Säugetiere, von einer urtümlichen Gruppe von Reptilien ab, die an die harten Bedingungen Pangaeas perfekt angepasst waren.

Im Wechsel an Kalt- und Warmzeiten würde in 15.000 Jahren die nächste Eiszeit folgen. Der Wienerwald würde Tundra und Steppe weichen, Innsbruck würde unter Gletschern begraben sein. Doch die vom Menschen ausgelöste Klimaerwärmung könnte diesen natürlichen Rhythmus schon unterbrochen haben. Wohin wird sich das Klima in geologischen Zeiträumen entwickeln?

Für die Hitzehölle Pangaeas fehlt die passende Landmasse. Die Kontinente werden auch in einigen Millionen Jahren noch von Ozeanen umgeben sein, von denen Feuchtigkeit ins Land gelangen kann. Eine mögliche Zukunft zeigt der Blick zurück ins Karbon – dem Steinkohle-Zeitalter. Im heißen, feuchten Klima breiteten sich vor 330 Millionen Jahren in Europa erstmals dichte Sumpfwälder aus. Riesenlibellen mit über 80 Zentimeter Flügelspannweite flogen zwischen den Bäumen und plumpe Amphibien bevölkerten die Sümpfe. Damals schwankte der Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre zwischen 400 bis 800 ppm. Schon heute haben wir die untere Grenze des Steinkohlen-Zeitalters erreicht!

Über Millionen von Jahren speicherten die Pflanzen das CO₂ in ihren Stämmen und Blättern, die in den Sümpfen zu Kohle wurden. In nur wenigen Jahrzehnten führen wir dieses in der Kohle gespeicherte Treibhausgas durch Verbrennung wieder zurück in die Atmosphäre – mit unübersehbaren Folgen.

Führt unser Weg zurück ins Karbon? Zeigt die Vergangenheit mögliche Szenarien für die Zukunft? Sich darüber Gedanken zu machen, dazu regt die von der Geologisch-Paläontologischen Abteilung des Naturhistorischen Museums Wien kuratierte Sonderausstellung in der Fossilienwelt Weinviertel an.

Wo:
Fossilienwelt GmbH, Austernplatz 1, 2100 Stetten
T +43 (0)2262/62409

Öffnungszeiten:
1. April bis 31. Oktober 2024
Di – So von 10 bis 17 Uhr,
letzter Einlass 15:30 Uhr
Montag Ruhetag (ausgenommen Feiertag).

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

Der Beitrag NHM: „Eisplanet und Hitzehölle – Klima-Extreme in der Erdgeschichte“ erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Hamburg 13. Februar 2024.

13. Februar 2024 – Seit 2007 haben sich die Bedingungen in der Arktis verschoben. Dies zeigen Daten, die jetzt im Fachjournal Nature Communications Earth & Environment veröffentlich wurden. Zwischen 2007 und 2021 ereigneten sich in den Randgebieten des Arktischen Ozeans elf Hitzewellen, bei denen die Wassertemperatur an der Oberfläche durchschnittlich 2,2 Grad Celsius wärmer war als das langjährige Mittel. Die Hitzewellen hatten eine mittlere Dauer von 37 Tagen. Ab 2015 traten sie jährlich auf.

Die bislang stärkste Hitzewelle ereignete sich 2020. Sie dauerte 103 Tage mit Spitzentemperaturen von vier Grad Celsius über dem langjährigen Mittel. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine solche Hitzewelle ohne den Einfluss von menschengemachten Treibhausgasen aufgetreten wäre, liegt unter einem Prozent, errechnete das Team um Barkhordarian vom Exzellenzcluster CLICCS. Es grenzte dadurch die Bandbreite ein, welche Entwicklungen in der Arktis künftig plausibel sind. So werden jährliche Hitzewellen in Zukunft die Regel sein.

Die Arktis tritt in eine neue Phase ein
Barkhordarian weist außerdem erstmals nach, dass arktische Hitzewellen entstehen, wenn das Meereis nach dem Winter früh und schnell schmilzt. Dadurch kann sich bis zum Zeitpunkt der maximalen Sonneneinstrahlung im Juli viel Wärme im Wasser anreichern. „2007 hat in der Arktis eine neue Phase begonnen“, sagt die Expertin für Klimastatistik an der Universität Hamburg. „Es gibt immer weniger dickes Eis, das mehrere Jahre alt ist. Stattdessen nimmt der Anteil von einjährigem, dünnen Eis beständig zu.“ Das dünne Eis ist jedoch weniger haltbar und schmilzt schneller, sodass die Sonneneinstrahlung ungehindert die Wasseroberfläche erwärmen kann.

Offiziell spricht man von einer marinen Hitzewelle, wenn die Temperaturen an der Wasseroberfläche an mindesten fünf aufeinanderfolgenden Tagen höher sind als 95 Prozent der Werte aus den letzten 30 Jahren.

„Nicht nur der anhaltende Verlust des Meereises, auch das wärmere Wasser kann das Ökosystem Arktis dramatisch beeinträchtigen“, sagt Barkhordarian. Nahrungsketten können abreißen, Fischbestände geschädigt werden und insgesamt kann die biologische Vielfalt abnehmen.

Hintergrund:
Ist der Mensch verantwortlich? Mit Hilfe der Attributionsforschung lässt sich vergleichen, wie sich die Welt mit und ohne den Einfluss des Menschen entwickelt hätte. Für die vorliegende Studie wurde berechnet, wie wahrscheinlich das Auftreten der einzelnen Hitzewellen in einer Welt ohne menschengemachte Treibhausgase wäre. Weiter werteten Barkhordarian und ihr Team Satellitendaten aus und nutzten gekoppelte Klimamodelle für ihre Analysen.

Fachartikel:
Barkhordarian A, Nielsen DM, Olonscheck D, Baehr J (2024): Arctic marine heatwaves forced by greenhouse gases and triggered by abrupt sea-ice melt; Nature Communications Earth & Environment.
https://www.nature.com/articles/s43247-024-01215-y
pdf: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01215-y.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Universität zu Köln 5. Februar 2024.

5. Februar 2024 – Ein Konsortium von deutschen Geowissenschaftler*innen erforscht in drei Expeditionen mit dem Forschungsschiff „Polarstern“ die Veränderungen des Ostantarktischen Eisschildes in der geologischen Vergangenheit. Davon wurde die zweite am 1. Februar 2024 abgeschlossen, die dritte ist noch bis Anfang April 2024 unterwegs. Die Forscher*innen stammen vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven, vom Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel (GEOMAR), sowie von der Universität zu Kiel, der TU Dresden und der Universität zu Köln. Das Konsortium hat gemeinsam mit internationalen Partnern das Projekt „East Antarctic Ice Sheet Instability“ (EASI) initiiert. Das Forschungsprojekt hat zum Ziel, aus geologischen Daten vom Antarktischen Kontinent bis in die umgebende Tiefsee abzuleiten, wie der Ostantarktische Eisschild auf den aktuellen Klimawandel reagieren wird.

Der Beitrag der Universität zu Köln zur EASI-Initiative liegt in der Rekonstruktion der Vereisungsgeschichte in heute eisfreien Regionen entlang des ostantarktischen Eisrandes. „Wir nutzen die Sedimente, die in Seen, in Fjorden und an Land in diesen Gebieten abgelagert wurden und rekonstruieren aus der Zusammensetzung und dem Alter der Ablagerungen die Entwicklung der Klima- und Umweltbedingungen“, erläutert der Kölner Geologe Professor Dr. Martin Melles. Dabei beschränken sich die Forscher*innen nicht auf die Vereisungsgeschichte. Es wird auch die Klimageschichte, mit Änderungen in der Temperatur und in den Niederschlägen, sowie die regionale Meeresspiegelgeschichte rekonstruiert. „So verstehen wir nicht nur die Vereisungsgeschichte besser, sondern können auch die Gründe für die unterschiedlichen Entwicklungen in den verschiedenen eisfreien Gebieten entschlüsseln“, ergänzt Melles. Weitere Erkenntnisse erhoffen sich die Forscher*innen von Vergleichen mit den Erkenntnissen, die das Konsortium im Südozean erlangt. „Unsere Partner sammeln Daten zu den Meeresströmungen, die Wärme in Richtung Land transportieren, oder zur Meereisbedeckung, die Gründe für Veränderungen in der Eisbedeckung an Land besser erklären.“

Auf der gerade zu Ende gegangenen Expedition „EASI-2“ wurden unter Leitung der Kölner Geolog*innen umfangreiche Forschungsarbeiten in den Vestfold Hills durchgeführt, einem 413 km² großen Landgebiet am Ostrand der antarktischen Prydz-Bucht. An dem sechs-köpfigen Team waren Forschende der TU Dresden und der australischen Universitäten Canberra und Adelaide beteiligt. Der Schwerpunkt lag auf der Gewinnung von Sedimentkernen aus einem See und einem Fjord. „Wir konnten an insgesamt vier Stationen bis zu 13 m lange Sedimentkerne gewinnen, aus denen erstmals in den Vestfold Hills die Geschichte von der Eisbedeckung über den Eisrückzug bis zu den heutigen eisfreien Bedingungen lückenlos rekonstruiert werden kann“, erläutert Melles. Die abschließende Analyse und Interpretation des umfangreichen Daten- und Probenmaterials wird im Rahmen eines dreijährigen Forschungsprojektes durchgeführt werden, welches von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.

Im Inlandeis der Antarktis sind mehr als 90 Prozent des Süßwassers auf der Erde gespeichert. Ein vollständiges Abschmelzen des Antarktische Eisschildes würde den Meeresspiegel weltweit um 57 Meter ansteigen lassen und sogar Köln, mit den Rheinwiesen bei 36.4 Meter über dem Meeressspiegel, überfluten. Darüber hinaus würde ein Abschmelzen des Eises den Wärmehaushalt der Erde und die globale Ozeanzirkulation verändern, weil die helle Eisfläche große Mengen an Sonnenstrahlung in den Weltraum zurückspiegelt und in der Antarktis ein großer Teil des Bodenwassers im Weltozean gebildet wird.

Seit einigen Jahren lässt sich ein Massenverlust des Antarktischen Eisschildes beobachten. Dieser dürfte sich nach aktuellen Klimaprognosen in der Zukunft noch verstärken. „Der Eisschild reagiert recht träge, so dass sich ein vollständiges Abschmelzen des Eises über mehrere Jahrhunderte – wenn nicht Jahrtausende – hinziehen dürfte“, so Melles. „Wir müssen uns jedoch vor Augen führen, dass die Prognosen recht große Unsicherheiten aufweisen, da die Dynamik des Eisschildes heute und in der geologischen Vergangenheit noch unzureichend verstanden ist. Hier kann unsere Forschung einen wichtigen Beitrag leisten.“

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• Planet Erde

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 13. Dezember 2023.

13. Dezember 2023 – Wie genau chemische Vorgänge in Eisgemischen dazu beigetragen haben, dass auf der Erde Leben entstehen konnte, möchte ein Team vom Lehrstuhl für Organische Chemie II der Ruhr-Universität Bochum erforschen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert die Arbeiten von Dr. André Eckhardt im Rahmen einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe mit rund 1,5 Millionen Euro für sechs Jahre. „Das James-Webb-Weltraumteleskop macht es möglich, einen detaillierten Blick in die Eischemie von kleinen Staubpartikeln im Weltall zu erhaschen“, sagt Eckhardt. „Wir wollen die Bedingungen im Weltall im Labor nachstellen, um die chemischen Vorgänge bei der Bildung neuer interstellarer Moleküle besser zu verstehen.“

Das Projekt mit dem Titel „Reaktivität und spektroskopische Charakterisierung von interstellar
relevanten Imin-Spezies“ startet Anfang 2024.

Harsche Weltraumbedingungen im Labor nachstellen
Eckhardts Team wird interstellare Eisgemische bei tiefen Temperaturen und im Hochvakuum herstellen. Die Gemische bestrahlen die Forscher mit Elektronen, um die energiereiche kosmische Strahlung des Weltalls nachzuahmen. „Durch diese harschen Bedingungen können chemische Bindungen sehr leicht gebrochen werden. Aus einfachen kleinen Bausteinen können sich so leicht größere komplexere Moleküle bilden, die von Fachwissenschaftlern auch gerne als die Bausteine des Lebens angesehen werden“, so Eckhardt.

In einem neuartigen Experiment sollen vor allem hochreaktive Spezies, welche unmittelbar nach dem Brechen chemischer Bindungen entstehen, direkt im Eis detektiert werden. Typischerweise reagieren diese sehr reaktiven Moleküle sofort weiter und lassen sich nur indirekt anhand der neu gebildeten Produkte nachweisen. „Mit unserem Experiment wollen wir diese bisher noch unbekannten reaktiven Zwischenstufen direkt im Eis nachweisen, um damit Aussagen über neue astrochemische Reaktionsmechanismen treffen zu können“, so Eckhardt.

Der Schwerpunkt der Forschung liegt vor allem auf reaktiven Stickstoffverbindungen. Sie könnten als Bausteine für die heute existierenden Aminosäuren dienen, die essenziell für das Leben auf der Erde sind.

Die Methoden umfassen neben der organischen Synthese von Ausgangsverbindungen und Produkten verschiedene spektroskopische Techniken sowie quantenmechanische Berechnungen.

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• Leben im Universum

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Quelle: Universität Stuttgart 16. März 2023.

16. März 2023 – Es zeigt sich, dass die lokale Geografie des Mondes eine wichtige Rolle für die Menge und Verteilung des vorhandenen Wassers spielt: An den Schattenseiten von Kratern und Bergen befindet sich mehr Wasser als an sonnenbeschienenen Hängen oder Ebenen – ein Phänomen, das wir vom Skifahren kennen.

„Wenn wir uns die Wasserdaten ansehen, können wir tatsächlich Kraterränder und die einzelnen Berge sehen“, sagte Bill Reach, Direktor des SOFIA Science Center am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley und Hauptautor der Studie, die er auf der Lunar and Planetary Science Conference 2023 vorgestellt hat. „Wir können dank der höheren Wasserkonzentration an schattigen Orten sogar Unterschiede zwischen den Sonnen- und Schattenseiten der Berge erkennen.“

Bereits 2020 konnten Forschende mit Hilfe von SOFIA-Daten den lang erhofften, eindeutigen Beweis erbringen, dass molekulares Wasser auch im Bereich der wärmeren, von der Sonne beschienenen Mondoberfläche vorkommt und nicht nur an den schattigen Polen. Frühere Weltraummissionen zur Beobachtung der Mondoberfläche untersuchten andere Wellenlängen des Lichts und konnten Wasser nicht von ähnlichen Molekülen wie Hydroxyl unterscheiden.

„Die neue Karte der erdzugewandten Seite der Mondoberfläche erstreckt sich vom 60. Breitengrad bis zum Südpol des Mondes“, erklärt Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Operation Deputy Director der Universität Stuttgart, die auf deutscher Seite das SOFIA-Projekt koordiniert. „Mit diesen Daten können wir sehen, wie sich Wasser bei verschiedenen Sonnenständen, also Mondtageszeiten, auf dem Mond verteilt. Das sollte uns mehr über den Ursprung des beobachteten Wassers verraten.“

Das Wasser des Mondes kann im Boden als Eiskristalle oder Wassermoleküle, die chemisch an andere Materialien gebunden sind, vorkommen. Woher das Wasser des Mondes kommt – ob es in den Mineralien des Mondes enthalten ist oder ausschließlich von Kometen und Sonnenwind geliefert wird – ist eine noch offene Frage. Klar ist jedoch, dass der Mond viel größere Wassermengen beherbergt, als wir bisher angenommen haben.

Entscheidende Resource für zukünftige Missionen
„Wasser ist eine entscheidende Ressource, wenn Menschen den Mond langfristig erforschen oder ihn als Sprungbrett für Missionen zum Mars nutzen wollen“, so erläutert Reinhold Ewald, europäischer Astronaut und Professor am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart. „Je mehr Wasser wir bereits auf dem Mond vorfinden, desto leichter können wir diese Vorhaben umsetzen.“

Weitere Beobachtungsdaten anderer Orte auf der Mondoberfläche befinden sich im SOFIA-Archiv und werden derzeit analysiert. „So wird SOFIA auch trotz der Beendigung des Beobachtungsbetriebs Ende September 2022 noch wesentliche Beiträge zu den Vorkommnissen und Verteilungen von Wasser auf der Mondoberfläche beisteuern“, so Schulz.

Über SOFIA
SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301, 50OK1701 und FKZ 50 OK 2002) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die SOFIA-Aktivitäten werden auf deutscher Seite von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert und vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart durchgeführt, auf amerikanischer Seite von der NASA und der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente wurde finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: DESY 21. Februar 2023.

21. Februar 2023 – Ein internationales Forschungsteam hat im Labor die Bedingungen auf eisigen Monden unseres Sonnensystems nachgestellt und dabei zwei neue Formen von salzigem Eis entdeckt. Die Beobachtung, die auf Messungen an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF und bei DESY zurückgeht, könnte bei der künftigen Erforschung von Eismonden wie Ganymed am Jupiter helfen, die für die Suche nach außerirdischem Leben interessant sind. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Baptiste Journaux von der Universität von Washington stellen ihre Entdeckung im Fachblatt „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) vor.

Könnte es Leben jenseits der Erde geben? Bieten manche Monde in unserem Sonnensystem lebensfreundliche Bedingungen? Und welche chemischen Prozesse laufen in diesen Eismonden ab? Die eisigen Begleiter von Planeten im äußeren Sonnensystem sind für die Forschung von besonderem Interesse, weil einige von ihnen unterirdische Ozeane besitzen, die unter einer gefrorenen Eisschicht verborgen sind. Das haben unter anderem die Raumsonden „Galileo“ und „Cassini-Huygens“ bestätigt, die unser Wissen über Eismonde erheblich erweitert haben.

Man nimmt an, dass Eismonde wie Europa und Ganymed vom Jupiter oder Enceladus und Titan vom Saturn entstanden sind, indem sie Gas und Eispartikel ihrer Heimatplaneten aufgesammelt haben. „Es sind abgesehen von der Erde die einzigen planetaren Körper, auf denen flüssiges Wasser über geologische Zeiträume hinweg stabil ist, was für die Entstehung und Entwicklung von Leben entscheidend ist“, erklärt Journaux. „Sie sind meiner Meinung nach der aussichtsreichsten Orte in unserem Sonnensystem, um außerirdisches Leben zu entdecken. Deshalb müssen wir ihre exotischen Ozeane und ihr Inneres untersuchen, um ihre Entstehung und Entwicklung besser zu verstehen und wie ihr Wasser so weit von der Sonne entfernt in den kalten Bezirken unseres Sonnensystems flüssig bleibt.“

Natürliches Frostschutzmittel
Vermutlich enthalten diese Ozeane Kochsalz (Natriumchlorid, NaCl), das als natürliches Frostschutzmittel den Gefrierpunkt des Wassers herabsetzt und es ihm so ermöglicht, auch bei frostigen Temperaturen noch flüssig zu bleiben, bei denen reines Wasser bereits gefrieren würde. Allerdings konnten die Planetenforscherinnen und -forscher das Kochsalz bisher selbst mit den ausgefeilten Methoden der Infrarot-Oberflächenspektroskopie der Raumsonden nicht eindeutig an der Oberfläche der Monde identifizieren. Keine der bekannten Verbindungen passt zu den Infrarotspektren der eisigen Mondoberflächen.

„Salz und Wasser sind unter den normalen Bedingungen sehr gut bekannt“, erläutert Journaux die möglichen Ursachen. „Aber darüber hinaus tappen wir völlig im Dunkeln. Jetzt beschäftigen wir uns mit diesen planetaren Objekten, die wahrscheinlich Verbindungen enthalten, die uns sehr vertraut sind, aber unter sehr exotischen Bedingungen. Wir mussten im Prinzip die gesamte mineralogische Grundlagenforschung aus dem 19. und frühen 20. Jahrhundert wiederholen, allerdings unter hohem Druck und niedriger Temperatur.“

Unter diesen Bedingungen kristallisiert das Wasser mit den darin gelösten Salzen und bildet sogenannte Hydrate. An der ESRF und bei DESY untersuchte das Team diese Kristalle mit Hilfe der Röntgenbeugung. Damit lässt sich die innere Struktur kristallisierter Materialien untersuchen, indem man sie mit Röntgenstrahlung beleuchtet und beobachtet, wie diese von der Probe gebeugt wird.

„Wir wollten verstehen, welche Verbindungen sich unter dem hohen Druck und den niedrigen Temperaturen auf den Eismonden bilden“, berichtet DESY-Koautorin Anna Pakhomova, die heute als Wissenschaftlerin an der ESRF arbeitet. „In unseren Experimenten haben wir die Einkristall-Röntgenbeugung eingesetzt, um zu verstehen, wie die neuen Hydrate auf atomarer Ebene organisiert sind. Das ist eine hervorragend geeignete Technik, um eindeutige Informationen über die Kristallstruktur eines Festkörpers zu erhalten.“

An der Extreme Conditions Beamline P02.2 von DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III stellten die Forscherinnen und Forscher die Bedingungen auf den Eismonden nach, indem sie die Proben aus Wasser und Kochsalz in einer sogenannten Diamantstempelzelle zwischen zwei winzigen Diamanten zusammenpressten und dabei in einem Kryostaten gekühlt hielten, einer Art wissenschaftlichem Tiefkühlschrank. So setzten sie die Proben dem bis zum 25.000-fachen des Atmosphärendrucks aus. Unter diesen Bedingungen kristallisierten die Proben und bildeten dabei bisher unbekannten Formen von Salzhydraten.

Stabil auf Mondoberflächen
Bislang kannte die Wissenschaft nur ein einziges Kochsalz-Hydrat, eine Verbindung, bei der nur wenige Wassermoleküle im Kristallgitter eingeschlossen sind. Es handelt sich um eine einfache Struktur mit einem Salzmolekül für je zwei Wassermoleküle. Die neuen Experimente enthüllten zwei neue, unterschiedliche Formen bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen, die beide einen viel größeren Wasseranteil in ihrer Struktur besitzen. In der einen kommen zwei Natriumchloridmoleküle auf 17 Wassermoleküle, in der anderen ein Natriumchloridmolekül auf 13 Wassermoleküle. Diese Beobachtung kann erklären, warum die Infrarot-Signaturen auf der Oberfläche der Jupitermonde „wässriger“ sind als erwartet.

„Diese neuen Phasen sind faszinierend, weil sie eine unerwartete Vielfalt von Wasser/Salz-Kristallstrukturen bei hohem Druck und niedriger Temperatur zeigen, die auch für andere Verbindungen noch erforscht werden sollte“, sagt Journaux.

Das Team konnte auch zeigen, dass eines der neuen Salzhydrate, NaCl-8.5(H₂O), unter den Oberflächenbedingungen eisiger Monde stabil ist und die häufigste Salzhydratart auf eisigen Welten sein dürfte. „Es besitzt die Struktur, auf die Planetenforscher gewartet haben, um die mysteriösen Spektren eisiger Oberflächen zu erklären“, betont Journaux. „Damit können wir die am besten geeigneten Orte auf der Oberfläche der Monde finden, um sie auf außerirdisches Leben zu untersuchen und um dort einmal zu landen und zu graben.“

Als nächstes planen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, andere Salzarten zu untersuchen, die für eisige Ozeanwelten relevant sind, und ihre spektralen Eigenschaften zu bestimmen, damit sie von kommenden Raumsonden wie dem „JUpiter ICy moon Explorer“ (JUICE) der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem „Europa Clipper“ der US-Raumfahrtbehörde NASA entdeckt werden können, die beide Anfang der 2030er Jahre in eine Jupiterumlaufbahn einschwenken sollen.

An der Untersuchung waren Forscherinnen und Forscher der Universität von Washington, des Instituts für Geochemie und Petrologie in der Schweiz, der Universität Bayreuth, des Jet Propulsion Laboratory der NASA, der Universität von Chicago sowie von der ESRF und von DESY beteiligt.

Originalveröffentlichung:
On the discovery of hyper-hydrated sodium chloride hydrates, stable at icy moon conditions; Baptiste Journaux, Anna Pakhomova, Ines E. Collings, Sylvain Petitgirard, Tiziana Boffa Balaran, J. Michael Brown, Steve D. Vance, Stella Chariton, Vitali .B. Prakapenka, Dongyang Huang, Jason Ott, Konstantin. Glazyrin, Gaston Garbarino, Davide. Comboni, Michael. Hanfland; „PNAS“, 2023; DOI: 10.1073/pnas.2217125120, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2217125120.

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) 23. Januar 2023.

23. Januar 2023 – Ein internationales Team hat mithilfe des James-Webb-Teleskops (JWST) der NASA/ESA/CSA unterschiedliches „Eis“ in den dunkelsten und kältesten Regionen einer Molekülwolke entdeckt, die je untersucht wurden. Dieses Ergebnis ermöglicht es den Forschenden, einfache Moleküle zu analysieren, die in zukünftigen Exoplaneten enthalten sein könnten, und eröffnet gleichzeitig ein neues Fenster zum Ursprung komplexerer Moleküle, die der erste Schritt bei der Entstehung der Bausteine des Lebens sind.

Für die Entstehung eines bewohnbaren Planeten sind gefrorene Moleküle von entscheidender Bedeutung, da sie mehrere wichtige leichte Elemente liefern: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel (zusammenfassend nach ihren Symbolen als CHONS bezeichnet). Diese Elemente sind zentrale Bestandteile der Planetenatmosphären und auch von Molekülen wie Zucker, Alkoholen und einfachen Aminosäuren. Auf unsere Erde gelangten diese Elemente vermutlich durch Einschläge von eisigen Kometen oder Asteroiden. Außerdem glauben die Astronomen und Astronominnen, dass solche Eiskristalle höchstwahrscheinlich bereits in der dunklen Wolke aus kaltem Staub und Gas vorhanden waren, aus der schließlich unser Sonnensystem entstand. In derartigen Regionen des Alls liefern eisige Staubkörner einzigartige Bedingungen für chemische Reaktionen zwischen Atomen und Molekülen, aus denen sich ganz gewöhnliche Stoffe wie Wasser bilden können. Detaillierte Laborstudien haben außerdem gezeigt, dass unter diesen eisigen Bedingungen auch einfache präbiotische Moleküle entstehen können.

Ein internationales Team hat nun mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA eine detaillierte Bestandsaufnahme der kältesten bisher gemessenen Eismassen in einer Molekülwolke veröffentlicht. Das Team suchte gezielt nach Eis in einer besonders kalten, dichten und schwer zu untersuchenden Region der Molekülwolke Chamäleon I, einer etwa 600 Lichtjahre von der Erde entfernten Gegend, in der sich Dutzende von jungen Sternen bilden.

Neben einfachen Eismolekülen wie Wasser konnte das Team gefrorene Formen einer breiten Palette von Molekülen identifizieren, von Kohlendioxid, Ammoniak und Methan bis hin zum komplexen organischen Molekül Methanol. Dies ist die bisher umfassendste Bestandsaufnahme der eisigen Bestandteile, die für die Bildung künftiger Generationen von Sternen und Planeten zur Verfügung stehen, bevor sie bei der Entstehung junger Sterne aufgeheizt werden. Die Eiskörner wachsen, wenn sie in die protoplanetaren Scheiben aus Gas und Staub um diese jungen Sterne stürzen. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen können somit alle möglichen Eismoleküle untersuchen, die in zukünftige Exoplaneten eingebaut werden können.

„Unsere Ergebnisse geben Einblicke in die Phase der ersten, dunklen Chemie, während der sich auf den interstellaren Staubkörnern Eis bildet, welche dann zu den zentimetergroßen Brocken heranwachsen, aus denen sich in den Scheiben schließlich die Planeten bilden“, sagte Melissa McClure, Astronomin am Leiden Observatory. Sie leitet das Beobachtungsprogramm und ist Hauptautorin der Veröffentlichung, in der dieses Ergebnis beschrieben wird.

Die Beobachtungen wurden mit drei Instrumenten am JWST durchgeführt, darunter MIRI, das gemeinsam von der NASA, der ESA und einem europäischen Konsortium entwickelt wurde. Die Leidener Gruppe mit Prof. Ewine van Dishoeck hat auch Eisspektren im Labor gemessen, um sie mit den Beobachtungsdaten zu vergleichen und so die verschiedenen Eissorten zu identifizieren. „Die Qualität und Empfindlichkeit dieser frühen JWST-Daten übertrifft sogar noch unsere Erwartungen: Wir sind in der Lage, Quellen zu beobachten, die tausendmal schwächer sind, als es bisher möglich war. Wir finden sogar die 13-C-Version von CO₂-Eis“, betont Prof. van Dishoeck, die auch Mitglied des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) ist.

Diese Forschung ist Teil des „Ice Age“-Projekts, eines der 13 „Early Release“-Wissenschaftsprogramme des James-Webb-Teleskops. Diese Beobachtungen sollen die Möglichkeiten mit dem JWST aufzeigen und der astronomischen Gemeinschaft demonstrieren, wie man das Beste aus den Instrumenten herausholen kann. Das IceAge-Team hat bereits weitere Beobachtungen geplant und hofft, den Weg des Eises von seiner Entstehung bis zur Bildung von Eiskometen nachvollziehen zu können.

„Es ist äußerst spannend, die Zusammensetzung der Eismäntel um Staubkörnchen in den dunklen und dichten Regionen interstellarer Wolken zu enthüllen“, sagt Prof. Paola Caselli, Direktorin des Zentrums für Astrochemische Studien am MPE, die ebenfalls an der Studie beteiligt war. Diese Regionen sind die Vorläufer von Planetensystemen wie dem unseren. Zumindest ein Teil dieses Eises, einschließlich der komplexen organischen Moleküle, die Vorläufer präbiotischer Spezies sind, wird in zukünftige Planetensysteme eingebaut. „Wir können nun – dank JWST und IceAge – Beobachtungen von interstellarem Eis quantitativ mit unseren detaillierten chemischen Modellen für Gas und Staub vergleichen. Die Oberflächenchemie ist am wenigsten verstanden, daher sind diese Daten so wertvoll“, schließt Caselli.

Originalveröffentlichung:
M. K. McClure et al.
An Ice Age JWST inventory of dense molecular cloud ices
Nature, 23 Jan 2023
dx.doi.org/10.5281/zenodo.7501239
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01875-w

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Pluto ist eine beliebte Welt. Spätestens seit am 14. Juli 2015 die NASA-Raumsonde New Horizons an dem Zwergplaneten vorbeigerauscht war, flogen ihm die Herzen vieler Menschen zu. Es zeigte sich auch, dass auf seiner Oberfläche selbst ein Herz sitzt, wenn auch ein sehr kaltes. Denn die mittlere Temperatur auf Plutos Oberfläche mit seinem gewaltigen herzförmigen Gletscher aus Stickstoffeis liegt bei gerade einmal minus 229 °C.

Karl taucht in dieser Folge des Podcasts in die Geologie des Plutos ein. Schon lange vor dem Vorbeiflug von New Horizons gab es einige Kenntnisse über die ferne Welt. Doch erst die Daten der Sonde zeigten, wie dynamisch sich der Zwergplanet im Laufe eines 248 Erdjahre langen Sonnenumlaufs verändert. Gleich vier Eissorten spielen dabei eine wesentliche Rolle: Sie gleiten als Gletscher über die Oberfläche, sublimieren in eine dünne Atmsphäre, bilden steile Berghänge oder brechen aus Kryovulkanen als eisige Lava empor.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen 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 der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• Plutoid Pluto
• New Horizons Mission
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Quelle: Freie Universität Berlin 2. Dezember 2022.

2. Dezember 2022 – Die Studie entstand im Rahmen des Forschungsprojektes „Habitat OASIS“, das vom Europäischen Forschungsrat mit einem ERC Consolidator Grant gefördert wird, und wurde am Freitag in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Astrobiology veröffentlicht.

Enceladus, einer der Monde des Saturn, ist berühmt für seine kryovulkanischen Fontänen, die er ins Weltall ausstößt. Diese Fontänen bestehen zum Großteil aus Eiskörnern, die von einem unterirdischen Wasserozean stammen. Ähnliche Prozesse finden vermutlich auch auf Jupiters Mond Europa statt. Raumsonden können die ausgestoßenen Eiskörner mit sogenannten Einschlagsionisations-Massenspektrometern analysieren und geben somit Einblick in die Zusammensetzung des unterirdischen Ozeanwassers. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Freien Universität Berlin ist es nun erstmals in Laborexperimenten gelungen, das Erscheinungsbild von Bakterien-Bestandteilen in Massenspektren solcher Eiskörner detailgetreu vorherzusagen. „In unseren Experimenten konnten wir zeigen, dass DNA, Lipide und sogar Zwischenprodukte von Stoffwechselvorgängen in den ausgestoßenen Eiskörnern mit zukünftigen Raumsonden technisch eindeutig nachweisbar wären“, erläutert Dr. Fabian Klenner, einer der Erstautoren der Studie. „Das funktioniert sogar, wenn diese Biomoleküle in nur wenigen Eisteilchen und in sehr geringen Konzentrationen vorkämen.“

Im Rahmen ihrer Studie untersuchten die Forschenden zwei verschiedene Arten von Bakterien und stellten fest, dass einige der untersuchten Biomoleküle klar voneinander unterscheidbare und vom jeweiligen Bakterium abhängige biologische „Fingerabdrücke“ in den Massenspektren hinterlassen. „Es ist also nicht nur möglich, Bestandteile von Bakterien auf außerirdischen Wasserwelten zu identifizieren, sondern auch verschiedene Bakterienarten voneinander zu unterscheiden“, betont Dr. Fabian Klenner.

Die Ergebnisse dieser Studie kommen gerade rechtzeitig für NASA‘s Europa Clipper Mission, die im Oktober 2024 zu Jupiters Mond Europa starten soll. Die Raumsonde wird ein Massenspektrometer mitführen, das für das Aufspüren der Bausteine des Lebens geeignet ist und an dem die Forschungsgruppe Planetologie und Fernerkundung der Freien Universität Berlin maßgeblich beteiligt ist.

Die internationale Studie wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaflerinnen und Wissenschaftlern der Universität Zürich, der Open University in Milton Keynes, NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Kalifornien und der Universität Leipzig durchgeführt.

Originalpublikation:
https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2022.0063

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• Europa Clipper (EC) zum Jupitermond Europa

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