Quelle: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung 14. September 2022.

14. September 2022 – Die Arktis hat sich in den vergangenen Jahrzehnten deutlich schneller erwärmt als der Rest der Welt. Mit Folgen für das Meereis. Um zu erfassen, wie dick die Eismassen in der Nordpolarregion sind, nutzen Forschende vor allem Satelliten. Diese Methode stößt im Sommer allerdings an ihre Grenzen, da Schmelzprozesse an der Eisoberseite die Messungen aus dem All erschweren. Ein internationales Team mit Beteiligung des Alfred-Wegener-Instituts hat nun ein Verfahren entwickelt, das erstmals ermöglicht, die Veränderungen der arktischen Meereisdicke für die Jahre 2011 bis 2021 zu bestimmen – auch in den Sommermonaten. Die Daten sind von besonderer Bedeutung für die Schifffahrt in der Arktis und werden die Qualität von Wetter und Eisvorhersagen deutlich verbessern, wie die Forschenden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature berichten, wo der Beitrag Titelgeschichte ist.

Seit den 1980er Jahren werden Satelliten eingesetzt, um die Dicke des Eises in der Arktis zu messen. Aber die Technik funktioniert nur im arktischen Winter, von Oktober bis April, wenn Eis und Schnee kalt und trocken sind. „In den Sommermonaten werden die Satelliten von Tümpeln aus Schnee und Schmelzwasser geblendet, die sich auf der Meereisoberfläche sammeln“, sagt Jack Landy, Erstautor der Studie vom Fachbereich Physik und Technologie der Universität Tromsø (UiT). „Sie können dann nicht mehr zwischen schmelzendem Eis und Wasser unterscheiden.“ Wissen über die Dicke des Meereises im Sommer sei aber wichtig, um Prognosen für das künftige Wetter und Klima zu erstellen und Sicherheitsrisiken für Projekte und Schifffahrt in der Arktis zu verringern.

Deshalb hat das Forschungsteam unter Leitung von Landy mit Hilfe von künstlicher Intelligenz frühere Daten von Satelliten untersucht, um zu sehen, wann sie Eis und wann sie Ozean registrieren. Mit Hilfe einer Deep-Learning Methode und numerischen Simulationen ist es ihnen erstmals gelungen, aus diesen Daten die Eisdicke auch während der Schmelzphase in den Sommermonaten aus dem Weltall hinreichend genau zu bestimmen. So entstand ein Datensatz, der zum ersten Mal die Dicke des Meereises in der gesamten Arktis und über ein ganzes Jahr hinweg zeigt.

Mit Vergleichsmessungen konnte die Gruppe abschätzen, wie genau die neu entwickelte Methode ist. Ein Großteil dieser Daten stammte aus den IceBird Kampagnen des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI). „Mit den Polarfliegern des AWI sammeln wir Informationen über die Zusammensetzung und die Eigenschaften des arktischen Eises und seine Veränderungen im Laufe der Zeit“, sagt Dr. Thomas Krumpen, Klimawissenschaftler am AWI und Mitautor der Studie. „Die Flugzeugmessungen sind sehr genau und decken große Bereiche ab. Sie eignen sich daher besonders für die Validierung.“

Für ein besseres Verständnis der Prozesse in der Arktis, präzisere Vorhersagen und sichere Schifffahrt
Die neuen Satellitendaten zur Eisdicke im Sommer sollen nun in Meereisvorhersagen eingesetzt werden, um deutlich früher genauere Aussagen über die Eisausdehnung und das Eisvolumen im Sommer treffen zu können. „Mit den ganzjährigen und arktisweiten Daten bekommen wir ganz neue Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean“, so Thomas Krumpen. Auch für die Schifffahrt in der Arktis und für künftige Wetter- und Klimavorhersagen seien die Ergebnisse von großer Bedeutung: „Mit den neuen Satellitendaten sind wir endlich in der Lage, Meereisvorhersagen auf der Grundlage der Eisdicke zu treffen, und zwar nicht nur für den Winter, sondern auch für den Sommer. Das wird die Sicherheitsrisiken für Schiffe und Fischerboote verringern“, sagt Jack Landy. „Wir können vorhersagen, ob an einem bestimmten Ort im September Eis vorhanden sein wird oder nicht, indem wir die Eisdicke im Mai messen.“ Laut Mitautor Professor Michel Tsamados vom University College London können die neuen Daten nicht nur die kurzfristigen Vorhersagen für das Wetter in den mittleren Breiten verbessern, sondern auch die langfristigen Prognosen für das künftige Klima.

Originalpublikation
Jack C. Landy, Geoffrey J. Dawson, Michel Tsamados, et. al.: A year-round satellite sea-ice thickness record from CryoSat-2. Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05058-5,
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05058-5.

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• Klimawandel

Der Beitrag Erdbeobachtung: Arktische Meereisdicke auch im Sommer erfassen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

Um 15.21 Uhr (MEZ) ist am 17. März 2009 der neue Umweltsatellit GOCE (Gravity field and steady-state-Ocean Circulation Explorer) vom russischen Weltraumbahnhof Plesetsk erfolgreich in den Erdorbit gestartet. Die Trägerrakete vom Typ Rockot brachte den Satelliten in eine annähernd polare Umlaufbahn mit einer Neigung von 96,5 Grad in 260 Kilometer Höhe. Von hier aus wird GOCE 20 Monate lang das Schwerefeld der Erde in bislang nicht erreichter Präzision vermessen. Die erwarteten Ergebnisse werden insbesondere für die Ozeanographie, Geophysik und Erforschung des Meeresspiegels wichtig sein.

GOCE ist der erste einer Reihe von hoch spezialisierten Satelliten, mit denen die ESA gesicherte Daten über die in der Atmosphäre, in den Ozeanen und auf dem Festland ablaufenden Vorgänge liefern und somit neue Erkenntnisse globaler Umweltveränderungen ermöglichen wird.

GOCE wird den Umweltforschern ein globales, homogenes und detailgenaues Bild vom Schwerefeld der Erde ermöglichen und dabei erstmals die Oberflächenzirkulation der Weltmeere ableiten. Meeresspiegeländerungen in Australien und Südamerika werden dadurch vergleichbar mit solchen in der Nordsee und im Mittelmeer. Hierbei erhoffen sich die Ozeanografen beispielsweise eine Antwort auf die Frage, ob für den Wärmetransport innerhalb des globalen Strömungssystems die Wirkung vieler, kleiner Wirbel die gleiche ist wie die weniger, großer Wirbel. Ebenfalls wird es mit den GOCE-Daten gelingen, aus GPS-Messungen direkt zentimetergenaue Meereshöhen zu erhalten.

Für die Geophysik bedeutet die GOCE-Gradiometrie ein Blick ins Erdinnere. Hier können wesentliche Beiträge zum Verständnis der kontinentalen und ozeanischen Erdkruste erwartet werden. Weitere Anwendungsbereiche sind die Bestimmung der Topografie des Meeresbodens und der Dicke des Eises auf den Polarmeeren sowie die Rekonstruktion der Dichte der großen Eisschilde.

Gerold Reichle aus dem Vorstand des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) beschreibt die Bedeutung der Mission: „Vor dem Hintergrund unübersehbarer Klimaänderungen und deren gravierender Bedeutung für unseren Lebensraum unterstreicht GOCE das große Engagement der deutschen und europäischen Raumfahrt für eine nachhaltige Klimaforschung. Die Raumfahrt hat nicht nur wesentlich zur Aufdeckung des Globalen Wandels beigetragen, sie liefert auch die wichtigsten Instrumente, um seine Auswirkungen zu erkunden. Dies hilft Politik und Gesellschaft, die notwendigen Beschlüsse zum Schutz unserer Lebensgrundlagen zu treffen.“

Der Satellit wird das Schwerefeld der Erde mit einer räumlichen Auflösung von 100 Kilometern vermessen und Schwereanomalien mit einer Genauigkeit von einem Millionstel der Erdschwerkraft (10^-6 g) erfassen. Das Geoid, so wird das physikalische Modell der Erdfigur genannt, wird mit einer Genauigkeit von ein bis zwei Zentimetern ermittelt werden. Mit diesem Ziel stellt GOCE das Maximum des gegenwärtig technisch Machbaren dar.

Die Schwerkraftsignale werden umso stärker, je geringer der Abstand eines Satelliten von der Erde ist. GOCEs Umlaufbahn ist mit einer Höhe von etwa 260 Kilometern daher die niedrigste Bahn, auf der ein wissenschaftlicher Satellit je flog. Die Reibungskräfte der Restatmosphäre, die in dieser Flughöhe zu einem schnellen Abtauchen des Satelliten führen würden, kompensiert ein Ionentriebwerk, das so genannte Drag-free-System. Über die Lageregelung wird die gewünschte Orientierung der Instrumente bezüglich der Erde erreicht.

An Bord von GOCE wird ein GPS-Empfänger eingesetzt, der die Position des Satelliten kontinuierlich zentimetergenau bestimmt. Auf diese Weise werden vor allem die großskaligen Strukturen im Erd-Schwerefeld erfasst. Darüber hinaus ist erstmalig auf einem Satelliten auch ein Gravitationsgradiometer installiert, das auf dem Prinzip der differenziellen Beschleunigungsmessung beruht. Bestückt mit drei Paaren dieser Beschleunigungsmesser repräsentiert dieses Instrument den neuesten Stand der Technik.

Raumcon

• GOCE mit Rockot

Der Beitrag GOCE gestartet: Das Schwerefeld im Blick erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Daniel Schiller. Quelle: Lunar and Planetary Institute.

Auf den Aufnahmen der Mondoberfläche wurden zwei kreisförmige, 2.500 km durchmessende Regionen entdeckt, in denen ausgeprägte Vertiefungen mit bis zu 40 km Breite, mehreren Hundert Kilometern Länge und 500 m Höhe auftreten. Die beiden Gebiete liegen sich auf Europa, abseits von Polachse und Äquatorlinie, genau gegenüber. Zur Erklärung wurden Modelle mit starken Verformungen durch Gezeitenkräfte und nicht-synchroner Rotation des Eispanzers vorgeschlagen, mit denen bisher andere Eigenschaften von Europas Oberfläche erklärt werden konnten. Trotzdem war es so nicht möglich, die kreisförmigen Regionen zu erklären.

Als weiteres Modell wurde schon 1989 eine Theorie der Polwanderung (TPW, True Polar Wander, wahre polare Verschiebung) zur Erklärung vorgeschlagen. Dabei rotiert der Felskern des Mondes stabil und stetig, während der geschlossene Eispanzer davon entkoppelt rotiert und „kippen“ kann. Voraussetzung für diese Entkopplung ist ein Ozean aus flüssigem Wasser, auf dem der Eispanzer schwimmt. Die Änderung der Rotation des Eises kann durch lolake Änderungen der Eisdicke angeregt werden.

Die Verifikation dieses Modells beanspruchte einen langen Zeitraum, da eine möglichst globale Kartierung der Oberfläche notwendig war. Erst mit der Galileo-Mission war dies möglich, obwohl durch technische Probleme eine vollständige Kartierung nicht durchgeführt werden konnte.

Außerdem konnten auf dem vorhandenen Bildmaterial nicht alle Vertiefungen entdeckt werden, da diese sich nur während des lokalen Sonnenauf- und Sonnenuntergangs durch ihre Schatten verraten.

Durch diese neuen Indizien ergeben sich auch neue wissenschaftliche Ziele. Zum einen ist eine genauere Karte der Oberfläche von Interesse. Gleichzeitig ist die Mächtigkeit des Eispanzers weiterhin unbekannt. Schätzungen reichen von 6 km bis 20 km. Außerdem ist der Zeitpunkt des Kippens noch unbekannt. All dies kann nur durch neue Beobachtungen vor Ort aufgeklärt werden und ruft nach einer neuen Mission ins Jupitersystem.

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Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: SpaceFlightNow.

Diese Steinformationen könnten die Eisschicht über Milliarden von Jahren unterstützt haben. Diese Entdeckt wird nun, einem Jahr nach Beendigung der Galileo Mission, gemacht. Damals verglühte die Galileo Sonde in der Jupiter-Atmosphäre und die wahrscheinlich bisher erfolgreichste unbemannte Mission fand ihr Ende. Sie startete 1989 mit dem Space Shuttle Atlantis und schwenkte 1995 in den Jupiter-Orbit ein. Acht Jahre später muss sie wegen zu wenig Treibstoff und der Gefährdung des Jupiter-Mondes Europa in die Jupiter-Atmosphäre gesteuert werden. Forscher des JPL der NASA und der Universität von Kalifornien, veröffentlichen ihre Entdeckungen dem Journal Science.

Die Daten wurden noch einmal durchgesehen, da viele Forscher umgedacht haben, was den Untergrund Ganymedes betrifft. Nun glauben viele, dass sich bisher unbekannte Eigenschaften der Eisoberfläche mit dem steinigen Untergrund vereinigt haben. Dies wiederum sagt den Forschern, dass die Eisschicht dick genug ist um diese Steinmassen zu unterstützen, ohne dass sie die Eisschicht durchbrechen und an die Oberfläche gelangen. So könnte der steinige Untergrund schon über Milliarden von Jahren überlebt haben. Nun gibt es mehrere Variationen, was die Schicht direkt unter der Oberfläche betrifft. „Es könnte sein, dass es eine Schicht von Wasser und Stein ist. Andererseits könnte es sein, dass zuerst die Eisschicht ist und erst danach die Steinschicht“, überlegt Dr. John Anderson, ein JPL Mitarbeiter. „Es könnte sogar sein, dass es eine Wasserschicht gibt. Um dies genau zu wissen müssen wir eben mehr Studien machen und alles nochmal genau untersuchen. In Galileos unausgewerteten Daten liegen noch viele Fragen und vielleicht sogar noch viele Antworten.“

Ganymede hat drei Hauptschichten: das Zentrum (Core), der Mantel und eine Schicht mit Eis, zu dem sich jetzt auch Stein hinzugesellt. Die Oberfläche ist die oberste Grenze der Eisschicht.
Wie gesagt, viele Galileo-Daten könnten uns noch einige Fragen beantworten, oder auch neue Fragen stellen. Für kommende Missionen, vorallem für die JIMO (Jupiter Icy Moon Orbiter) Mission, ist es wichtig alles aus den Galileo-Daten zu bekommen was nur irgendwie möglich ist.

Der Beitrag Ganymede mit steinigem Untergrund erschien zuerst auf Raumfahrer.net.