Bislang wissen wir nur von einem Planeten in unserer Galaxie sicher, dass es dort Leben gibt: unsere eigene Erde, die seit Milliarden von Jahren von den unterschiedlichsten Lebewesen bewohnt wird. Von Einzellern, die Kohlenstoff statt Sauerstoff atmen, über Pflanzen die sich nicht vom Fleck rühren können bis hin zu neugierigen Menschen ist so Einiges dabei. Auf unserem Planeten wimmelt es geradezu vor Leben.

Ob das auf anderen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems auch so ist, wissen wir nicht. Was wir auch nicht wissen: Wie könnte Leben dort überhaupt aussehen? Ähnlich wie auf der Erde, mit Einzellern, Pflanzen und Zweibeinern? Dann ist die grundlegende Frage, wie irdische Forscherinnen und Forscher nach etwas suchen können, von dem sie noch nicht einmal wissen, wie es aussieht und welche Spuren es hinterlässt.

Was wäre, wenn sich genau diese Frage in diesem Moment ein solches außerirdisches Lebewesen auch stellen sollte? Mal angenommen, es gäbe sie, die Aliens – nicht unendlich weit weg, sondern irgendwo ums kosmische Eck in unserer Milchstraße. Vielleicht sind sie genauso neugierig wie wir. Vielleicht blicken auch sie in ihren Nachthimmel, stellen astronomische Beobachtungen an und finden tatsächlich einen Gesteinsplaneten, der als dritter Planet einen nicht besonders großen Stern umkreist – unsere Erde.

In dieser Folge des AstroGeo-Podcasts dreht Franzi den Spieß bei der Suche nach außerirdischem Leben um: Wie könnten außerirdische Lebensformen herausfinden, dass die Erde ein bewohnter Planet ist? Zunächst müssten sie den Planeten überhaupt finden. Das irdische Leben hat seine Spuren hinterlassen, es gibt Biosignaturen und sogar Technosignaturen, die auf intelligentes Leben und einen gewissen technologischen Entwicklungsstand schließen lassen. Was also könnten Aliens überhaupt beobachten, um die folgende Frage zu beantworten: Gibt es Leben auf der Erde?

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.

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• AstroGeo Podcast
• Außerirdisches Leben

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Quelle: DLR / Pressemitteilungen, 9. März 2026

Das Leuchtphänomen, das am Sonntag, 8. März 2026, kurz vor 19 Uhr Mitteleuropäische Zeit im Nordwesten und Westen Deutschlands am Nachthimmel gesichtet wurde, war ein Meteor. Planetengeologe Ulrich Köhler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) erläutert das Phänomen: „Ein Meteor ist die Leuchtspur eines kleinen Gesteinskörpers, der mit hoher Geschwindigkeit in die Erdatmosphäre eindringt. Durch die hohe Geschwindigkeit von bis zu 230.000 Kilometer pro Stunde heizen sich diese kleinen Gesteinskörper, die auch Meteoroide genannt werden, stark auf. Meistens verglühen sie in der Atmosphäre.“

Die Leuchtspur wird bei kleinen Meteoren als Sternschnuppe bezeichnet. Sie entsteht, weil die Luft des Eindringkanals zu einem hell glühenden Plasma erhitzt wird. Meteoroide verglühen in der Hochatmosphäre in 110 bis 60 Kilometern Höhe. Bei größeren Objekten – etwa ab Basketballgröße – verglühen die Meteoroide nicht vollständig. Das Leuchtphänomen ist dann auch stärker und man spricht von Feuerkugeln oder Boliden. Das ist das, was am Abend des 8. März 2026 beobachtet wurde. Der Meteoroid zerplatzt, weil die Luft vor ihm zusammengepresst wird und Druck ausübt. Der Knall ist auf der Erde zu hören. Die Feuerkugel endet in etwa 50 Kilometer Höhe und Fragmente des zerborstenen Meteoroiden fallen als Meteorite mit Geschwindigkeiten von 150 bis 200 Kilometer pro Stunde oder mehr auf die Erde. Ab einem Durchmesser von einem Meter sprechen die Astronomen von Asteroiden.

Wie oft passiert das?
Ulrich Köhler vom DLR-Institut für Weltraumforschung in Berlin erklärt: „Meteoroiden in Form von Sternschnuppen sehen wir im Jahr sehr oft, beispielsweise beim Meteorschwarm der Perseiden im Hochsommer. Dann können bis zu zwei Sternschnuppen pro Minute auftreten. Täglich dringen mehr als zehn Tonnen Meteoroiden in die Atmosphäre ein. Fast alles davon verglüht in der Hochatmosphäre. Von größeren Meteoroiden fallen nur sehr selten Meteoriten auf die Erdoberfläche. Die meisten Meteorite, die auf die Erde fallen, stürzen unbemerkt in die Ozeane der Erde. Ein- bis zweimal im Jahrzehnt fallen Bruchstücke von Meteoroiden – Meteorite – zu Boden, auch auf das deutsche Bundesgebiet. Nicht immer können diese Meteorite geborgen werden. Nach dem Zerplatzen und dem Ende der Feuerkugel fallen die Bruchstücke in einem sogenannten Dunkelflug aus rund 50 Kilometer Höhe auf Parabelbahnen zur Erde. Manchmal gelingt es, den Punkt einzugrenzen, an dem die Fragmente auf die Erde fallen.“

Woher kommen Meteoroiden, Meteore und Meteoriten?
Ulrich Köhler: „Bei Meteoriten handelt es sich um Bruchstücke von Asteroiden. Das sind Himmelskörper, die bei der Entstehung der Planeten des Sonnensystems übriggeblieben sind. Sie umkreisen die Sonne zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter. Werden sie auf ihrer Bahn um die Sonne durch Schwerkrafteinflüsse gestört oder ihre Bahn ändert sich durch Kollisionen untereinander, können sie ins innere Sonnensystem vordringen. Kreuzt sich ihre Bahn dann mit der der Erde, kann es passieren, dass sie in die Erdatmosphäre eindringen und einen Meteor oder – wenn es größere Körper sind – eine Feuerkugel bilden. Fragmente können als Meteorite die Erdoberfläche erreichen. Meteorite sind oft viereinhalb Milliarden Jahre alt. Es gibt zahlreiche Sammlungen von Meteoriten in den Museen der Welt. In Deutschland befindet sich die größte Meteoritensammlung im Museum für Naturkunde Berlin.“

Woran erkenne ich einen Meteoriten?
Ulrich Köhler: „Einen Meteoriten zweifelsfrei zu identifizieren, ist nicht ganz einfach. Ein erster Hinweis für einen Meteoriten ist, wenn das Fundstück eine hohe Dichte aufweist, also für seine Größe ungewöhnlich schwer, kompakt und massiv zu sein scheint. Ist das der Fall, kann man als nächstes mit einem Magneten untersuchen, ob der Stein den Magneten anzieht. Meteoriten haben meist eine matte Oberfläche, glänzen selten wie Metall. Die Kruste von Meteoriten ist meist schwarz oder braun. Sie zeigt Anzeichen von erstarrter Schmelze, die durch den Flug durch die Atmosphäre entsteht. Meteoroiden erhitzen sich so stark, dass die Oberfläche anschmilzt.“

Sind Meteorite gefährlich?
Ulrich Köhler: „Meteorite sind weder giftig noch geht von ihnen radioaktive Strahlung aus.“

Wie sollte ich mich verhalten, wenn ich einen Meteoriten finde? Darf ich ihn anfassen?
Ulrich Köhler: „Sollte es sich tatsächlich um einen ‚frisch‘ gefallenen Meteoriten handeln, fassen Sie ihn bitte nicht an. Die Säure des Schweißes auf unserer Haut kann zu chemischen Reaktionen mit den Stoffen auf der unmittelbaren Oberfläche des ‚frischen‘ Meteoriten führen und so das wissenschaftliche Ergebnis der Untersuchung des Meteoriten beeinflussen. Meteoriten sind von hohem wissenschaftlichem Wert, wie sie Einblicke in die früheste Zeit unseres Sonnensystems ermöglichen. Beim vermeintlichen Fund eines Meteoriten kontaktiert man am besten eine Forschungseinrichtung wie das DLR. Übrigens, wer einen Meteoriten findet, darf ihn behalten.“

Weiterführende Links

• Meldeadresse für Meteoriten-Fundstücke
• DLR-Institut für Weltraumforschung

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• Meteoriten & Co – Boten aus dem Weltall.

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Quelle: NASA, 18. Juli 2025

TRACERS wird untersuchen, wie das Weltraumwetter die Erde beeinflusst

Die Magnetosphäre der Erde schützt den Planeten vor dem ständigen Bombardement der Sonnenpartikel, dem so genannten Sonnenwind. Die magnetische Rekonnektion tritt auf, wenn der Sonnenwind mit der Magnetosphäre in Wechselwirkung tritt und bewirkt, dass sich die Magnetfeldlinien trennen und neu verbinden. Dadurch regnen Teilchen auf die Erdatmosphäre herab. Die Auswirkungen des Weltraumwetters können zu schönen Phänomenen wie dem Polarlicht führen, aber auch weltraumgestützte Infrastrukturen wie Satelliten und GPS-Systeme beeinträchtigen.
Durch die Platzierung der beiden TRACERS-Sonden in einer sonnensynchronen Umlaufbahn, so dass sie immer die Tagseite der Erde passieren, wird das Team Tausende von tagesseitigen Rückkopplungsereignissen sammeln. Da es sich um zwei Raumsonden handelt, können die Wissenschaftler durch den Vergleich der von den beiden Sonden gesammelten Daten beobachten, wie schnell sich der Prozess verändert und weiterentwickelt

Missionsübergreifende Zusammenarbeit

Das TRACERS-Missionsteam wird mit anderen Missionen zusammenarbeiten, die komplementäre Regionen und Prozesse untersuchen. Die MMS (Magnetospheric Multiscale Mission) der NASA untersucht die magnetische Rekonnexion aus dem Weltraum. Die TRACERS-Beobachtungen aus der niedrigen Erdumlaufbahn werden es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Ergebnisse der beiden Missionen zu vergleichen.
Kürzlich gestartete Missionen wie PUNCH (Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere) und EZIE (Electrojet Zeeman Imaging Explorer) der NASA befinden sich ebenfalls in einer niedrigen Erdumlaufbahn und untersuchen den Sonnenwind und die Wechselwirkungen in der Erdatmosphäre. Durch die Kombination der Beobachtungen von PUNCH, EZIE und TRACERS werden die Wissenschaftler in der Lage sein, ein umfassenderes Verständnis davon zu gewinnen, wie die Energie aus der Sonnenatmosphäre durch die Magnetosphäre und die Atmosphäre der Erde fließt.
TRACERS wird von David Miles an der Universität von Iowa geleitet und vom Southwest Research Institute in San Antonio, Texas, verwaltet. Das Heliophysics Explorers Program Office der NASA im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, beaufsichtigt das Projekt für die Heliophysik-Abteilung im NASA-Hauptquartier in Washington, D.C. Die Universität von Kalifornien, Los Angeles, und die Universität von Kalifornien, Berkeley, leiten Instrumente auf TRACERS, die Veränderungen im Magnetfeld und im elektrischen Feld untersuchen.

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• TRACERS – Missionen auf Falcon 9

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Quelle: NASA, 23. Juli 2025

Die TRACERS-Mission wird die magnetische Rekonnexion und ihre Auswirkungen in der Erdatmosphäre untersuchen. Magnetische Rekonnektion tritt auf, wenn Material von der Sonne mit dem Magnetfeld der Erde interagiert. Bei einer Rekonnexion können Sonnenwindteilchen, die normalerweise um unseren Planeten kreisen, mit hoher Geschwindigkeit direkt in unsere Atmosphäre geschossen werden.
Die TRACERS-Satelliten werden die magnetische Rekonnexion 3.000 Mal pro Jahr messen, damit die Wissenschaftler beobachten können, wie schnell sich die Rekonnexion verändert und entwickelt. Die Wissenschaftler hoffen, die Auswirkungen der Sonnenaktivität besser verstehen und sich darauf vorbereiten zu können, z. B. auf Störungen von Kommunikationssatelliten, GPS-Systemen und Stromnetzen auf der Erde.
Die Forscher werden die Daten anderer kürzlich gestarteter NASA-Missionen zur Erforschung der Sonne mit den Daten von TRACERS kombinieren, um besser zu verstehen, wie die Sonne die Magnetosphäre und Atmosphäre der Erde beeinflusst. Die NASA-Missionen PUNCH (Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere) und EZIE (Electrojet Zeeman Imaging Explorer) starteten beide Anfang des Jahres. Bei der PUNCH-Mission handelt es sich um eine Konstellation von vier Kleinsatelliten, die 3D-Beobachtungen durchführen, um mehr über den Sonnenwind zu erfahren, während EZIE aus drei Kleinsatelliten besteht, die elektrische Ströme über dem Pol untersuchen.
Drei weitere von der NASA finanzierte Nutzlasten wurden mit TRACERS gestartet und in Betrieb genommen: der Kleinsatellit Athena EPIC (Economical Payload Integration Cost), das PExT (Polylingual Experimental Terminal), das vom NASA-Programm für Weltraumkommunikation und Navigation in Zusammenarbeit mit dem Johns Hopkins Applied Physics Laboratory verwaltet wird, und der REAL (Relativistic Electron Atmospheric Loss) CubeSat.
Das vom Langley Research Center der NASA in Hampton, Virginia, geleitete Athena EPIC soll einen innovativen, konfigurierbaren Weg aufzeigen, um Fernerkundungsinstrumente schneller und kostengünstiger in die Umlaufbahn zu bringen.
Die Technologiedemonstration PExT (Polylingual Experimental Terminal), die vom SCaN-Programm (Space Communications and Navigation) der NASA in Zusammenarbeit mit dem John Hopkins Applied Physics Laboratory geleitet wird, wird eine neue Technologie vorstellen, die es ermöglicht, zwischen Kommunikationsnetzen im Weltraum zu wechseln, so wie Mobiltelefone zwischen Anbietern auf der Erde wechseln.
Der vom Dartmouth College in Hanover, New Hampshire, geleitete REAL CubeSat schließlich wird den Weltraum als Labor nutzen, um zu verstehen, wie hochenergetische Partikel innerhalb der die Erde umgebenden Strahlungsbänder auf natürliche Weise in die Atmosphäre gestreut werden, und so die Entwicklung von Methoden zur Entfernung dieser schädlichen Partikel unterstützen, um Satelliten und die von ihnen unterstützten wichtigen Bodensysteme besser zu schützen.
Die Mission wird von David Miles von der University of Iowa geleitet und vom Southwest Research Institute in San Antonio unterstützt. Das Heliophysics Explorers Program Office der NASA im Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, leitet die Mission für die Heliophysics Division der NASA-Zentrale in Washington. Die Universität von Iowa, das Southwest Research Institute, die Universität von Kalifornien, Los Angeles, und die Universität von Kalifornien, Berkeley, leiten alle Instrumente auf TRACERS, die Veränderungen im Magnetfeld und im elektrischen Feld der Erde untersuchen werden. Das Launch Services Program der NASA, das im Kennedy Space Center in Florida angesiedelt ist, verwaltet den Venture-Class Acquisition of Dedicated and Rideshare-Vertrag.

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• TRACERS – Missionen 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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Quelle: Universität Augsburg 6. August 2024.

6. August 2024 – Etwa 80 bis 120 Kilometer über der Erdoberfläche wird die Luft so dünn, dass dieser Höhenbereich oft als Grenze zum Weltraum bezeichnet wird. Dennoch hat diese Atmosphärenschicht eine enorme Bedeutung – einerseits für den Flug von Satelliten und andererseits für das Erdklima. Die Universitäten Augsburg und Bern sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wollen diesen Grenzbereich nun genauer untersuchen. Die DFG und die SNSF fördern das auf den Namen GIGAWATT getaufte Projekt mit insgesamt 1,2 Millionen Euro.

Das GIGAWATT-Projekt nimmt eine bestimmte Sorte von Strömungen genauer unter die Lupe, die sogenannten atmosphärischen Schwerewellen. Diese entstehen häufig in den unteren Luftschichten und pflanzen sich von dort bis in über 100 Kilometer Höhe fort – ähnlich wie Meereswellen, nur dass sie nicht nur horizontal, sondern vor allem auch vertikal verlaufen. Im Grenzbereich zwischen Atmosphäre und All brechen die Schwerewellen und verursachen dabei chaotische Verwirbelungen.

Dieser Vorgang ist es, der die Forschenden vor allem interessiert. Denn das Schicksal der Schwerewellen hat Auswirkungen auf unser Klima. „Die Wellen stellen gewissermaßen die Weichen für die großen erdumspannenden Strömungssysteme“, erklärt Michael Bittner, Professor für Atmosphärenfernerkundung an der Universität Augsburg. „Darunter sind beispielsweise die hochliegenden Windsysteme, die den Luftaustausch zwischen den Polen der Erde steuern. In Klimamodellen wird die Wirkung von Schwerewellen bislang aber nur sehr ungenau abgebildet.“

Ein Grund: Zwar ist die Ausbreitung und Brechung der Wellen physikalisch gut verstanden. Die Gleichungssysteme, die diese Prozesse beschreiben, sind aber so komplex, dass sie sich auch mit den schnellsten Supercomputern nicht lösen lassen. Forschende behelfen sich daher mit Näherungen, sogenannten Parametrisierungen, um den Werdegang der Wellen zu modellieren. „Damit diese Modelle ein realistisches Ergebnis liefern, muss man sie aber mit möglichst exakten Ausgangsdaten füttern“, erläutert Bittners Mitarbeiter Dr. Patrick Hannawald.

Radarsysteme und optische Kameras in den Alpen
Soll heißen: Man muss wissen, wo sich die Wellen aktuell befinden und wie sie sich verhalten, um ihren Verlauf in die Zukunft extrapolieren zu können. Und je genauer man das weiß, desto besser wird das Ergebnis. Doch bislang ist es nur sehr schwer möglich, die Wellen in der Grenzschicht zwischen Atmosphäre und All aufzuspüren. Genau hier setzt das neue Projekt an: Die beteiligten Arbeitsgruppen möchten die Schwerewellen mit verschiedenen Methoden exakter sichtbar machen. „Dazu werden wir zusammen mit unseren Projektpartnern in den deutschen und schweizer Alpen Radarsysteme installieren und zugleich optische Kameras aufbauen“, sagt Hannawald. „Damit lassen sich dann sogenannte tomografische Messungen durchführen.“

Mit diesem Ansatz lassen sich die Wellenfronten in ihrer dreidimensionalen Ausdehnung sichtbar machen. Die Beteiligten nutzen dazu ein Phänomen, das als Airglow bekannt ist: Die Moleküle in der oberen Atmosphäre werden durch die energiereiche Strahlung der Sonne angeregt, so dass sie permanent schwach leuchten. Vom Weltall aus ist dieses Glühen mit bloßem Auge zu sehen. Mit den Kameras soll das auch vom Boden möglich werden. Bereiche mit einem höheren Luftdruck – die Wellenberge, wenn man so will – leuchten dabei besonders stark. „Aus den Intensitätsmustern lässt sich daher auf den Verlauf der Wellen schließen“, erklärt der Augsburger Wissenschaftler.

So werden in den Aufnahmen oft charakteristische Strukturen sichtbar, ähnlich wie Rippeln in einem Sandstrand bei Ebbe. Wenn die Wellen brechen, hinterlassen sie zudem in den Fotos eine Art „Gischtspur“. Diese Ergebnisse sind nicht nur für die Klimaforschung relevant, sondern auch für einen ganz anderen Bereich. „Momentan nimmt die Zahl der Satelliten im erdnahen Orbit rasant zu“, sagt Prof. Bittner. „Dort etabliert sich gerade ein neues Industriegebiet. Die Flugkörper haben aber nur eine begrenze Lebensdauer – irgendwann fliegen sie immer niedriger und niedriger und stürzen schließlich ab.“

Wenn sie bei diesem Prozess mit einer Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde in die oberste Atmosphärenschicht eintauchen, werden sie erheblich abgebremst. „Gerade in den Bereichen, in denen die Schwerewellen brechen, werden die Satelliten so stark durchgeschüttelt wie ein Auto auf einer Piste mit Schlaglöchern“, verdeutlicht Bittner. Das ist einer der Gründe, warum die Bahn der High-Tech-Flugkörper sich bislang nicht gut vorhersagen lässt.

Die GIGAWATT-Ergebnisse könnten auch hier Fortschritte ermöglichen. Vielleicht wird es auf ihrer Basis irgendwann möglich sein, Satelliten am Ende ihrer Lebenszeit gezielt so abstürzen zu lassen, dass die Trümmer im Meer landen – und nicht über bewohntem Gebiet niedergehen.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Swiss National Science Foundation (SNSF) fördern das GIGAWATT-Projekt in den kommenden drei Jahren mit insgesamt 1,2 Millionen Euro.

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• Planet Erde

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Im AstroGeo-Podcast erzählen Karl Urban und Franzi Konitzer in jeder Folge eine Geschichte, die ihnen die Steine des kosmischen Vorgartens eingeflüstert oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Und eure Fragen, Kommentare, Anmerkungen, Wünsche, Feedback zu diesen Geschichten? Das findet ein Zuhause im AstroGeoPlänkel: eine Extrafolge von AstroGeo, die nach jeweils zwei Geschichten erscheint.

Dieses Mal mit Feedback zu den Folgen 75 – Schwarzes Loch im Zentrum, 82 – das hellste Licht und zu Folge 83 – das Dolomitproblem.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der 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

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Quelle: DLR 1. Februar 2024.

1. Februar 2024 – Ob Dürre und Hitze in Südeuropa oder extreme Starkregenereignisse in Deutschland – die Sonneneinstrahlung ist die maßgebliche Größe für das Klimageschehen und die Wetterdynamik auf unserer Erde, denn sie treibt die Zirkulation in der Atmosphäre an. Diese Strahlung ist in der Lufthülle allerdings sehr unterschiedlich verteilt und tritt dort zudem noch in Wechselwirkung mit Wolken, Spurengasen und Aerosolen – Schwebeteilchen aus kleinsten festen und flüssigen Partikeln. Um in naher Zukunft noch genauere Vorhersagen machen zu können, müssen wir die bisher noch nicht so gut bestimmbaren Parameter zu Aerosolen und Wolken global besser kennen und deren Wechselwirkungen in der Erdatmosphäre entschlüsseln. Dadurch und mit der Messung der Strahlungsdichte kennen wir den Strahlungshaushalt unseres Heimatplaneten wesentlich genauer, als wir das heute tun. Die Europäische Weltraumorganisation ESA will daher gemeinsam mit der japanischen Raumfahrtagentur JAXA voraussichtlich im Mai 2024 ihre bislang größte und komplexeste Earth-Explorer-Erdbeobachtungsmission starten. Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist wesentlich in die EarthCARE-Mission (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) eingebunden – einer Mission im Rahmen des ESA Erdbeobachtungsprogramms FutureEO, in dem Deutschland von Beginn an Programmführer ist und sich bis heute mit mehreren hundert Millionen Euro beteiligt. Zusätzlich werden mehrere Millionen Euro aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm bereitgestellt, um die Nutzung der EarthCARE-Daten während des Betriebs durch deutsche Forscherinnen und Forscher und ein Projektbüro vorzubereiten und den Betrieb durch deutsche Forschungseinrichtungen und Universitäten zu unterstützen. Letztere leisten einen der wesentlichsten Beiträge in Europa zur Validierung und werden durch eine Flugkampagne, mit dem deutschen Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) substantiell unterstützt. Diese Kampagne wird vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und dem Max-Planck-Institut für Meteorologie koordiniert.

„Die europäisch-japanische Erdbeobachtungsmission EarthCARE wird unser Verständnis zu Klima- und Wetterphänomenen maßgeblich vorantreiben. Dass dieser größte und komplexeste Earth-Explorer-Satellit im Erdbeobachtungsprogramm der ESA in Deutschland gebaut wurde und deutsche Firmen und Wissenschaftseinrichtungen zudem weitere wichtige Bestandteile dieser Mission beisteuern können, zeigt die Spitzenposition, die Deutschland in der internationalen Erdbeobachtung inne hat“, betont Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, am 1. Februar 2024 anlässlich des Verabschiedungsevents beim deutschen Hauptauftragnehmer Airbus in Friedrichshafen. Der 17,2 Meter lange (inklusive 11 Meter Solarpanele), 2,5 Meter breite, 3,5 Meter hohe und rund 2.200 Kilogramm schwere EarthCARE-Satellit geht nun via Flugzeug auf die Reise nach Vandenberg (Kalifornien, USA), wo er an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtkonzerns SpaceX in seinen Zielorbit in 393 Kilometer Höhe gebracht werden soll.

Vier Instrumente liefern ein einzigartiges Bild zu den Vorgängen in der Erdatmosphäre
Auf EarthCARE sind vier sich gegenseitig ergänzende Instrumente untergebracht. Durch die Aussendung von Lichtimpulsen eines Lasers und die Analyse der reflektierten Signale wird mit dem Atmosphären-Lidar ATLID, an dem auch das deutsche Unternehmen Tesat aus Backnang beteiligt ist, ein vertikales Profil in der Erdatmosphäre von Aerosolen und Wolken einschließlich ihrer Eigenschaften wie Höhe, Dichte und Aerosoltyp erstellt. Die bisher nie erreichte Genauigkeit dieser Information wird entscheidend die Verbesserung der Vorhersagen aus Klimamodellen voranbringen und das Verständnis der Rolle von Aerosolen und Wolken in der Energiebilanz unserer Erde vertiefen. Mit dem von der JAXA bereitgestellten Wolkenprofilradar CPR (Cloud Profiling Radar) kann EarthCARE das „Innenleben“ von Wolken beobachten und detaillierte Einblicke in deren vertikale Struktur und Geschwindigkeit, Partikelgrößenverteilung und Wassergehalt liefern, um zum Beispiel der Bildung und Auflösung von Wolken auf die Spur zu kommen. Während das Atmosphären-Lidar und das Wolkenradar Profile der Atmosphäre in einem eher dünnen „Vorhang“ direkt unter dem Satelliten erstellen, misst der Multi-Spektral-Imager MSI von EarthCARE in einem viel größeren Sichtfeld. Das Instrument nimmt hochauflösende Bilder in mehreren Spektralbändern des sichtbaren und infraroten Lichtspektrums auf. So können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zwischen verschiedenen Arten von Wolken, Aerosolen und der Erdoberfläche unterscheiden und zudem zusätzliche Informationen über die optischen Eigenschaften von Wolken und Aerosolen erhalten, um mehr über ihre Zusammensetzung und Verteilung zu erfahren.

Durch die Zusammenführung der Lidar-, Radar- und Multispektraldaten werden dreidimensionale Informationen über Wolken und Aerosole verfügbar sein. Das vierte Instrument an Bord ist das Breitbandradiometer BBR (Broad-Band Radiometer), das die reflektierte Strahlung in der Atmosphäre aus drei Richtungen vermisst. „So kann die Menge der reflektierten Sonnenstrahlung und der von der Erde ausgehenden Wärmestrahlung bestimmt werden. Diese Messungen werden mit der aus den kombinierten Beobachtungen der anderen Instrumente berechneten Strahlung kombiniert und damit unser derzeitiges Verständnis der Wechselwirkung zwischen Aerosolen, Wolken und Energiebilanz unseres Planeten entscheidend verbessern“, erklärt Dr. Albrecht von Bargen, der die EarthCARE-Mission bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR betreut.

Deutsches Forschungsflugzeug HALO übernimmt Validierungskampagne
Zusammen bieten diese vier leistungsstarken Instrumente einen noch nie dagewesenen Einblick in das „Innenleben“ unserer Erdatmosphäre. „Doch EarthCARE ist nur dann leistungsstark, wenn die Instrumente richtig eingestellt sind. Dafür müssen die Messergebnisse im Weltraum immer wieder mit weiteren Messdaten aus der Luft und vom Boden verglichen werden. Das machen wir unter anderem in einer dreigeteilten Validierungskampagne, für die wir das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) mit vier Instrumenten bestückt haben, die mit denen von EarthCARE vergleichbar sind“, erklärt Dr. Silke Groß, die im DLR-Institut für Physik in der Atmosphäre diese Kampagnen leitet. Im August 2024 beginnen die Messflüge, koordiniert vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und dem Max-Plack-Institut für Meteorologie zusammen mit dem Leipziger Institut für Meteorologie sowie den Universitäten Hamburg, Köln und München von den Kapverden aus. Dort wird die Validierung durch Bodenmessungen des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) unterstützt. Im September geht es für HALO weiter nach Barbados, wo das Max-Planck-Institut für Meteorologie die Messflügen durch Bodenmessungen begleitet. Anschließend kehrt HALO zum DLR nach Oberpfaffenhofen zurück, wo im Herbst nochmal umfangreiche Flüge über Europa, dem extratropischem Nordatlantik und über die Alpen bis zum Mittelmeer unternommen werden sollen.

Mit den drei Flugzielen verfolgen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unterschiedliche Ziele: „Über den Kapverden haben wir eine komplexe Situation unterschiedlicher Aerosole und Wolken, von flacher zu hochreichender Bewölkung, und können besonders gut die Wechselwirkung dieser Schwebeteilchen untersuchen. Bei den Flügen rund um Barbados erwarten wir eine geänderte Wolken- und Aerosolstruktur. Und mit den Flügen von Oberpfaffenhofen aus, untersuchen wir bei Flügen aus den Extratropen, über die Alpen bis in den Mittelmeerraum Aerosole und Wolken, die sich noch einmal deutlich von denen der anderen Flugziele unterscheiden. Dadurch haben wir ein möglichst großes Spektrum abgedeckt“, erklärt Dr. Silke Groß. Bei vielen dieser Flüge wird HALO genau unter dem EarthCARE-Satelliten fliegen, so dass die Messungen vom Satelliten, vom Forschungsflugzeug und von den Bodenstationen exakt vergleichbar sind. An der Flugkampagne sind die Ludwig-Maximilian-Universität München, die Universitäten Köln, Leipzig und Hamburg, das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und das Max-Planck-Institut für Meteorologie beteiligt sein. Koordiniert werden die Validierungsflüge mit Validierungsaktivitäten der Deutschen Forschungsgemeinschaft, unter anderem vom TROPOS, der Freien Universität Berlin, dem Forschungszentrum Jülich sowie dem Deutsche Wetterdienst. Betrieben wird HALO von der DLR-Einrichtung Flugexperimente.

Algorithmen aus Deutschland sollen „Datengold“ heben
Die vier Instrumente liefern gemeinsam Informationen für insgesamt 40 verschiedene Datenprodukte – zum Beispiel zur Wolkenbildung und -klassifizierung, zur Zusammensetzung der Aerosolschicht, zum Strahlungshaushalt der Atmosphäre aber auch zu Regen- und Schneeeigenschaften wie der genauen Tropfen- und Flockengröße. Rund die Hälfte der geophysikalischen Parameter aus den Datenprodukten werden direkt aus den Messungen eines einzelnen der vier Instrumente abgeleitet. Bei der anderen Hälfte werden diese Datenprodukte in weiterführenden Algorithmen genutzt, um synergetische geophysikalische Größen abzuleiten. Die Entwicklung dieser Rechenprozesse wurde von der ESA unter anderem mit maßgeblichen Anteilen an das TROPOS und die FU Berlin vergeben und findet damit auch in Deutschland statt. „Die Algorithmenentwicklung ist aus der Erdbeobachtung schon seit Jahren nicht wegzudenken. Sie erlaubt es aus Rohdaten kalibrierte Information bereitzustellen und daraus wiederum geophysikalische Größen mit Hilfe von Rechenvorschriften anhand von physikalischen Zusammenhängen abzuleiten. Ohne Algorithmen ist auch die EarthCARE-Mission nicht vorstellbar. Sie helfen den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern dabei, das Optimum an Information aus den eigentlichen Messungen herauszuholen wie zum Beispiel die von TROPOS zur Verfügung gestellten Algorithmen zur Berechnung der Wolkenobergrenze und Aerosolparametern aus ATLID-Messdaten. Künftig werden wir wie bei anderen Erdbeobachtungsmissionen auch erwarten können, dass KI-basierte Ansätze – natürlich streng anhand der Geophysik evaluiert – verfolgt werden, um vertiefte weiterführende Auswertungen durchzuführen“, erklärt Dr. Albrecht von Bargen. Um diesen Datenschatz und deren Nutzung allen interessierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und einem erweiterten Kreis in Deutschland weitergehend zu erläutern und zugängig zu machen, wurde bei der Ludwigs-Maximilians-Universität in München ein Projektbüro eingerichtet, dass die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm fördert.

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• EarthCARE (ESA Earth Explorer 6) auf Falcon 9

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Im AstroGeo-Podcast erzählen Karl Urban und Franzi Konitzer in jeder Folge eine Geschichte, die ihnen die Steine des kosmischen Vorgartens eingeflüstert oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Und eure Fragen, Kommentare, Anmerkungen, Wünsche, Feedback zu diesen Geschichten? Das findet ein Zuhause im AstroGeoPlänkel: eine Extrafolge von AstroGeo, die immer nach zwei Geschichten erscheint.

Dieses Mal mit Feedback zu den Folgen 79 – Fehlende Neutrinos: Als die Sonne kaputt war und 80 – Rätselhaftes Erdmagnetfeld: vom Kompass zum Supercomputer, sowie einer Antwort auf eine etwas knifflige Frage zu Schwarzen Löchern: Warum genau kann denen zwar kein Licht entwischen, die Gravitation aber schon?

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• AstroGeo Podcast

Der Beitrag AstroGeoplänkel: Hörerfragen zu Folge 79-80 des Podcasts erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 22. November 2022.

22. November 2023 – Die Satellitenmission CAIRT wird immer wahrscheinlicher. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat den vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordinierten Vorschlag nun als einen von zwei verbleibenden Kandidaten für eine Mission zur Erdbeobachtung ausgewählt. Die finale Entscheidung fällt 2025.

Die Entscheidung der ESA, die Satellitenmission CAIRT (steht für: changing-atmosphere infrared tomography) als eines von zwei Vorhaben weiterzuverfolgen, wurde am Dienstag (21.11.2023) durch das ESA Programme Board for Earth Observation bestätigt. „Für uns bedeutet das, dass die Mission nun in die sogenannte Phase A eintritt. Unsere Planungen werden damit viel konkreter“, erläutert Professor Björn-Martin Sinnhuber vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) des KIT, der die wissenschaftlichen Arbeiten koordiniert. „Wird unser Vorschlag dann von der ESA ausgewählt, könnten wir in den frühen 2030er-Jahren die ersten Daten erhalten.“ Bis dahin könnte CAIRT mit dem ESA-Satelliten Earth Explorer 11 in die Erdumlaufbahn starten. Zweck der Mission ist es, dringend benötigte Daten über Veränderungen in der Erdatmosphäre zu erheben. Sie sollen das Wissen über die Kopplung von atmosphärischer Zirkulation, die genaue Zusammensetzung der Atmosphäre und regionale Klimaänderungen verbessern.

Weltraumtomograf für die Atmosphäre
Kernstück von CAIRT ist ein abbildendes Infrarotspektrometer, mit dem in bisher unerreichter räumlicher Auflösung eine Vielzahl von Spurengasen, Aerosolen und atmosphärischen Wellen vermessen werden kann. „Die Tomografie ist uns als ein Instrument der medizinischen Diagnostik vertraut“, sagt Sinnhuber. „Bei uns passiert im Grunde dasselbe, nur ein bisschen größer. Es ist eine Art Weltraumtomograf für die gesamte Erdatmosphäre.“ Dazu wird CAIRT die Atmosphäre regelmäßig in einer Höhe von fünf bis 115 Kilometern im Infrarotbereich mit einer horizontalen Auflösung von etwa 50 mal 50 Kilometern und einer vertikalen Auflösung von einem Kilometer vermessen.

Die jetzt geplante Mission baut dabei auf langjähriger Erfahrung in der Atmosphärenfernerkundung am KIT auf. Durch die Fernerkundung mithilfe von Ballons und Flugzeugen haben Forschende des KIT in den vergangenen Jahren bereits Pionierarbeit geleistet. „Gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich haben wir das wissenschaftliche Instrument GLORIA entwickelt, das als eine Art Prototyp für CAIRT betrachtet werden kann“, erläutert Dr. Michael Höpfner vom IMK, der die Forschung mit GLORIA am KIT leitet und auch an CAIRT beteiligt ist. Mit GLORIA seien bereits großartige wissenschaftliche Beobachtungen gelungen, zuletzt etwa neue Erkenntnisse zum Transport von Aerosolen nach ausgedehnten Waldbränden in Kanada bei der Messkampagne PHILEAS mit dem Forschungsflugzeug HALO, aber auch bei Ballonkampagnen. „Mit der Satellitenmission CAIRT können wir das noch einmal auf ein neues Niveau heben, weil wir dann täglich globale Messungen bekommen“, so Höpfner.

Über CAIRT
Das KIT hat den Vorschlag für das Satellitenkonzept für die Mission CAIRT koordiniert und baut dabei auf einer langjährigen gemeinsamen Initiative mit dem Forschungszentrum Jülich auf. Die wissenschaftliche Zielsetzung wird in enger Kooperation von einem internationalen Expertinnen- und Expertengremium definiert und ausgearbeitet, das sich aus dem European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), dem Institute of Applied Physics „Nello Carrara“ (IFAC), dem Institute of Astrophysics of Andalusia (IAA-CSIC), dem National Centre for Scientific Research (CNRS) in Frankreich, dem Royal Belgian Institute for Space Aeronomy (BIRA-IASB), der University of Leeds und der University of Oxford in Großbritannien, der University of Oulu in Finnland und dem Finnish Meteorological Institute (FMI) sowie der University of Toronto in Kanada zusammensetzt.

Weitere Informationen
https://www.cairt.eu/de

Details zum KIT-Zentrum Klima und Umwelt
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

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• Planet Erde

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Quelle: TROPOS 7. September 2023.

Leipzig / Oklahoma City – 7. September 2023 – Erstmals haben deutsche Forschende den Einfluss von Wolken auf kurzfristige Schwankungen der Sonneneinstrahlung in Nordamerika gemessen. Zum Einsatz kam dabei ein weltweit einmaliges Netz von Strahlungssensoren, das am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) konzipiert und gebaut wurde. Es war von Anfang Juni bis Ende August dieses Jahres in der flachen Prärie des mittleren Westens der USA im Einsatz. So genannte Pyranometer haben dabei das eingehende Sonnenlicht an 60 Standorten verteilt über einer Fläche von 6×6 Quadratkilometern im US-Staat Oklahoma sekundengenau erfasst.

Die Leipziger Forschenden haben dazu in der unmittelbaren Umgebung des Southern Great Plains (SGP) Atmospheric Observatory gemessen, dem weltweit größten und umfangreichsten Observatoriums zur Messung der atmosphärischen Strahlung. Die Messkampagne „Small-Scale Variability of Solar Radiation“ (S2VSR) von TROPOS, dem US-Strahlungsmessprogramm ARM und der University of Oklahoma hat erfolgreich wichtige Klimadaten an der Erdoberfläche gesammelt, damit die neuesten Generationen an Wetter- und Umweltsatelliten sowie Photovoltaik-Anlagen effektiver genutzt sowie Wettervorhersagen und Klimamodelle genauer gemacht werden können.

Diese Messungen ergänzen dabei die seit dem Bau des Netzwerks vor 10 Jahren im Rahmen von sechs Feldkampagnen in Deutschland und in der Arktis gewonnenen Datensätze. Von wissenschaftlichem Interesse sind in diesem Fall neben den vorherrschenden meteorologischen Bedingungen auch die umfangreichen Vergleichsmöglichkeiten mit Routinemessungen am Standort des dortigen Observatoriums und im gesamten Bundesstaat Oklahoma, nämlich die umfangreichen atmosphärischen Messungen des ARM-Programms sowie des Oklahoma MESONETs. Das TROPOS-Pyranometer-Messnetz hat diese dabei um Informationen über Schwankungen auf Sekunden- und Dekameterskala ergänzt, die die bisherigen Messungen aufgrund eines zu großen Abstands der Stationen nicht liefern können. Die Daten sollen nun insbesondere als Grundlage für den geplanten Vergleich mit den neusten Satellitenbeobachtungen dienen: einerseits mit dem amerikanischen geostationären GOES-R Satellit, der bereits jetzt Beobachtungen mit 500 m Auflösung im 5-Minutentakt liefert wie die europäischen METEOSAT-Satelliten der dritten Generation ab Ende des Jahres; andererseits mit der europäischen Sentinel-2 Mission, mit Bildern von bis zu 10 Metern räumlicher Auflösung.

Die Feldkampagne profitierte dabei von der logistischen Unterstützung und der sehr guten Zusammenarbeit mit dem amerikanischen Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Programm, das auf die Untersuchung der Atmosphäre und ihrer Wechselwirkungen mit der atmosphärischen Strahlung ausgerichtet ist und das Observatorium in Oklahoma seit 1992 betreibt. Ein weiterer wichtiger Partner für die Kampagne und die nun beginnende wissenschaftliche Auswertung ist die School of Meteorology an der Universität von Oklahoma. Sie ist der größte Meteorologie-Fachbereich in den Vereinigten Staaten und traditionell eher für ihre Unwetterforschung bekannt, hat aber in den letzten 8 Jahren einen erheblichen Umschwung zu einem breiteren Atmospärenforschungsprogramm vollzogen. „Die S2VSR-Messkampagne bietet hervorragende Möglichkeiten für unsere Forschungsgruppe CL2EAR (CLouds ClimatE Aerosols Radiation)“, so Prof. Jens Redemann, Director der School of Meteorology. „Durch S2VSR haben unsere Studenten „hands-on“-Training in der Durchführung von Messungen und in der Analyse dieser weltweit einzigartigen Beobachtungen bekommen, die den Schlüssel für viele Fragen in unserem Forschungsgebiet bieten könnte. Wir hoffen auf eine lange und vielfältige Zusammenarbeit mit TROPOS.“

„Während der 12-wöchigen Kampagne wurden zwei Messstationen leider durch Mäharbeiten beschädigt, davon konnte nur eine repariert werden. Im Rahmen der Routinewartung wurden vereinzelt Beeinträchtigungen der Messungen durch verschmutzte oder gekippte Pyranometer festgestellt. Die vorläufige Qualitätssicherung der gewonnenen Daten zeigt jedoch, dass ihre Qualität und Verfügbarkeit auch im Vergleich zu vergangenen Kampagnen sehr hoch ist und die Kampagne somit ein voller Erfolg war. Hier ist insbesondere das hohe Engagement der Studenten der Universität von Oklahoma bei der Wartung zu betonen”, berichtet Dr. Hartwig Deneke vom TROPOS.

Die nun beginnende Auswertung der Beobachtungen der Kampagne „Small-Scale Variability of Solar Radiation“ (S2VSR) soll neuartige Erkenntnisse über die kurzfristige Schwankung des Sonnenlichts an der Erdoberfläche liefern, wie sie vor allem durch Wolken verursacht werden. „Auf diesen Skalen kommt es dabei insbesondere aufgrund der 3-dimensionalen Wolkenstrukturen zu Effekten im atmosphärischen Strahlungstransport, die sowohl von aktuellen Wetter- und Klimamodellen als auch in Satellitenprodukten bisher nur unzureichend berücksichtigt werden. Wir hoffen, dass die gewonnenen Erkenntnisse mittelfristig auch dazu beitragen, Kurzfristvorhersagen des Sonnenlichts zu verbessern für eine optimale Nutzung der mit Photovoltaik erzeugter erneuerbarer Energie“, erklärt Dr. Hartwig Deneke.

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

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

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

Der Gesamtetat der Institute liegt bei 2 Milliarden Euro. Finanziert werden sie von Bund und Ländern gemeinsam. Die Grundfinanzierung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) getragen. Das Institut wird mitfinanziert aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.

Konferenzbeitrag
H.M. Deneke, A. Macke, J. Redemann, C. Flynn, M.T. Ritsche, Y.M. Saint-Drenan, J. Witthuhn, O. Ritter, A.K. Heidinger, B. Lamkin, M. Foster, A. Walther, D. Romps, R. Öktem, J. Wiltink, J.F. Meirink, H. Kalesse-Los: The Small-Scale Variability of Solar Radiation (S2VSR) Campaign – Overview and first Results. IUGG General Assembly 2023. IUGG23-4624. (15 Jul 2023).

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• Planet Erde

Der Beitrag TROPOS-Messkampagne zur kleinskaligen Variabilität des Sonnenlichts erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Im August 1883 ereignet sich zwischen den Inseln Java und Sumatra im heutigen Indonesien eine Katastrophe: Ein Vulkan bricht mit solcher Macht aus, die zuvor nur selten beobachtet worden ist. Der Ausbruch des Krakatau fordert so viele Menschenleben wie nie zuvor in der Geschichte – und er verändert sogar die Atmosphäre nachhaltig. Sulfatpartikel färben über einige Jahre die Sonnenuntergänge weltweit in intensiven Tönen. Aber da ist noch mehr: Aschepartikel und Wasserdampf des Ausbruchs lösen ein neues Phänomen in den oberen Schichten der Atmosphäre aus, das bis heute existiert. Es sind Wolken, die bei Nacht leuchten.

In dieser Folge des AstroGeo Podcasts erzählt Karl von leuchtenden Nachtwolken und wie sie erstmals beobachtet wurden. Vor allem geht es darum, wie genau diese Wolken entstehen können und ob in neuerer Zeit nicht auch andere Faktoren zu ihrer Bildung beitragen. Denn leuchtende Nachtwolken sind nicht nur schön anzusehen – sie sind auch ein deutliches Zeichen dafür, wie rasant wir das Klima der Erde verändern.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle 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 der 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
• Himmelsschauspiel

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Quelle: TROPOS 28. Juli 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• ADM-Aeolus (Atmospheric Dynamics Mission – ESA Earth Explorer) auf VEGA

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Quelle: Universität Wien 15. Juni 2023.

Wien, 15. Juni 2023 – Lichtverschmutzung – zu viel Licht in der Nacht – ist ein Problem für Natur und Naturwissenschafter*innen. Im Fachjournal Science vergleicht der Astrophysiker Stefan Wallner von der Universität Wien aktuelle Methoden und empfiehlt einheitliche Regelungen um den Umweltschutz voranzubringen. Auch für Österreich fordert er ein bundesweites „Lichtverschmutzungsgesetz“.

Lichtverschmutzung hat sehr viele Facetten, die schon bei der Definition anfangen: So kann es beispielsweise um die Aufhellung des Nachthimmels gehen oder um die Ausbreitung der Außenbeleuchtung, die von Satelliten oder Tieren auf unterschiedlichen Arten gesehen werden. Der Astrophysiker Stefan Wallner der Universität Wien erklärt: „Die Definition des Phänomens gibt Hinweise darauf, wie Messungen durchgeführt werden müssen. Aufgrund vieler verfügbarer Geräte und Methoden, die für die unterschiedlichen Ansätze verwendet werden, verfügen Forscher*innen weltweit über eine große Vielfalt, wie sie künstliches Licht in der Nacht untersuchen können. Dies kann aber zu Problemen führen, da verschiedene Beobachtungen dadurch möglicherweise nicht vergleichbar sind.“

Wallner wurde daher zusammen mit internationalen Forschungskolleg*innen vom renommierten Fachjournal Science dazu eingeladen, den aktuellen Wissensstand zusammenzutragen und die derzeit verwendeten Methoden zu überprüfen, um das Ausmaß der auftretenden Lichtverschmutzung zu quantifizieren und die daraus resultierenden Auswirkungen zu analysieren.

Eine besondere Herausforderung dabei stellt dabei der Zusammenhang zwischen Luft- und Lichtverschmutzung dar, an dem Wallner forscht. Wallner: „Die große Veränderlichkeit der Erdatmosphäre wirkt sich erheblich auf die daraus resultierende Lichtverschmutzung aus. Um beide Phänomene gemeinsam einzudämmen, müssen interdisziplinäre Lichtverschmutzungsforscher*innen weltweit zusammenkommen um daran arbeiten, Daten aus aktuell verfügbaren Technologien verständlicher zu nutzen, aber auch über Messstandards und neue Möglichkeiten nachdenken.“

Um die Lichtverschmutzung effektiv einzudämmen braucht es auf diese Erkenntnisse fußende Gesetzgebungen. „Die vor kurzem überholte ÖNORM O 1052 zu Lichtimmissionen sowie das kommende Lichtverschmutzungsgesetz im Land Oberösterreich sind wichtige Schritte. Ein bundesweites Gesetz dazu wird dennoch notwendig sein, um den Natur- und Umweltschutz gegen künstliches Licht bei Nacht maximal anzuheben“, fordert Wallner.

Originalpublikation:
Miroslav Kocifaj, Stefan Wallner. Measuring and monitoring light pollution: Current approaches and challenges.
Science (2023), DOI: 10.1126/science.adg0473, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0473.

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• Lichtverschmutzung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 2. Februar 2023.

2. Februar 2023 – In einer Untersuchung der Zusammensetzung der oberen Atmosphäre der Erde wurde ein erhöhtes Vorkommen des Sauerstoff-18-Isotops (¹⁸O) nachgewiesen – eine Art von Sauerstoff, dessen Atome 10 Neutronen anstelle der acht Neutronen enthalten, die in Sauerstoff-16 (¹⁶O), dem häufigsten Isotop des Elements, vorkommen. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass der Sauerstoff in der unteren Erdatmosphäre aufgrund biologischer Prozesse einen höheren Anteil an ¹⁸O aufweist als die Sauerstoffatome im Ozean. Inwieweit dieser Effekt in der oberen Atmosphäre fortbesteht, die einer stärkeren Störung durch die UV-Strahlung der Sonne und den Sonnenwind ausgesetzt ist, blieb bisher ein Rätsel.

In einem neuen Experiment haben Helmut Wiesemeyer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und seine Kollegen zum ersten Mal den ¹⁸O-Anteil in der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre gemessen. Sie nutzten dazu den GREAT-Empfänger an Bord der fliegenden Sternwarte SOFIA und konnten feststellen, dass der ¹⁸O-Anteil in der oberen Atmosphäre dem der unteren Atmosphäre sehr ähnlich ist. Ein besseres Verständnis, inwieweit biologische Effekte die Erdatmosphäre durchdringen, könnte den Forschern eines Tages helfen, ihre Suche nach möglichen Anzeichen von Leben auf anderen Planeten zu verfeinern.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review Research“ präsentiert.

Wo verläuft die Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum? Eine scheinbar einfache Frage, auf die es jedoch keine eindeutige Antwort gibt. In der Luft- und Raumfahrt wird auf die so genannte Kármán-Linie verwiesen, die bei einer Höhe von 100 km über dem Meeresspiegel verläuft. Es handelt sich dabei um eine Höhe, in der der hydrodynamische Auftrieb definitiv aufhört, oder in der Satelliten aufgrund der Reibung mit der Luft in der oberen Atmosphäre noch keine stabile Umlaufbahn um die Erde einnehmen können. Andererseits wurde erst kürzlich ein magnetosphärischer Wind entdeckt, der von der Ionosphäre der Erde bis zum Mond vordringt und die Isotopenzusammensetzung des Mondbodens, der dem Sonnenwind ausgesetzt ist, kontaminiert.

Dieser terrestrische Fingerabdruck könnte als einzigartig im Sonnensystem gelten, da er möglicherweise eine Signatur der biologischen Aktivität auf der Erde trägt. In der Tat gibt es in der unteren Atmosphäre im Verhältnis zum leichteren und häufigeren Isotop ¹⁶O mehr schweren Sauerstoff (¹⁸O) als im Meerwasser. Diese Ungleichheit ist als Dole-Effekt bekannt und lässt sich folgendermaßen verstehen: Sauerstoff entsteht als Abfallprodukt der Photosynthese und übernimmt seine Isotopenzusammensetzung von derjenigen des beteiligten Wassers, während die Atmung bevorzugt die leichtere Version des Sauerstoffs zerstört. Durch eine effiziente vertikale Durchmischung wird diese gut untersuchte Biosignatur bis in die Stratosphäre getragen. Eine weitere Durchmischung der Luft in die noch höheren Atmosphärenschichten (Mesosphäre und Thermosphäre) wurde bereits vor einem Jahrzehnt nachgewiesen. Die Thermosphäre ist der Ausgangspunkt für den Wind von Sauerstoffionen, die in die Plasmaschicht der Erde eindringen, doch ist ihre isotopische Sauerstoffzusammensetzung noch unbekannt.

„Bei unserem Versuch, die Isotopenzusammensetzung von Sauerstoff in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre der Erde aus der Ferne zu messen, nutzen wir einen relativistischen Effekt, durch den sich der elektronische Grundzustand von atomarem Sauerstoff in drei Feinstrukturniveaus aufspaltet“, sagt Helmut Wiesemeyer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), der Erstautor der Veröffentlichung. „Strahlungsübergänge von einem Quantenzustand in einen anderen erzeugen infrarote Spektrallinien. Sie werden weiter aufgespalten, wenn man dem Kern ein oder zwei Neutronen hinzufügt: Der Schwerpunkt des Atoms verschiebt sich, was zu einer leichten Veränderung der charakteristischen Frequenzen der Feinstrukturlinien führt.“

Diese Spektrallinien, die in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre der Erde entstehen, erscheinen in starker Absorption gegen helle Infrarotquellen im Hintergrund und liefern daher wertvolle Fingerabdrücke der Chemie in diesen Regionen der Atmosphäre. „Zum ersten Mal konnten wir die spektroskopische Signatur der Isotopenverschiebung in Spektrallinien von atomarem Sauerstoff in der Natur identifizieren, in einer Umgebung, die weit von erdgebundenen Laboren entfernt ist. Es ist zu hoch für Ballons und zu niedrig für Satelliten in der Erdumlaufbahn. Das erschwert Untersuchungen an Ort und Stelle ganz erheblich“, erklärt Rolf Güsten, ebenfalls vom MPIfR, bis 2018 der Hauptverantwortliche für das GREAT-Instrument, das an Bord von SOFIA den Nachweis ermöglichte. „Unsere Beobachtungen erlauben es jedoch, die Spektrallinie von ¹⁸O im Terahertz-Bereich in Absorption gegen den Mond zu identifizieren.“

„Hier schließt sich der Kreis: Die Stärke der Spektrallinie von schwerem Sauaerstoff im Vergleich zu derjenigen des Hauptisotops ¹⁶O ermöglicht es uns, die relative Häufigkeit beider Spezies aus der Ferne zu messen“, ergänzt Jürgen Stutzki von der Universität Köln, der im Oktober 2018 die Leitung des GREAT-Projekts übernommen hat. „Aus den Messungen des Stratosphärenobservatoriums leiten wir Werte ab, die für die untere Atmosphäre typisch sind, aber nicht für den Sonnenwind, der dort dominiert, wo das interplanetare Magnetfeld dasjenige der Erde ablöst.“

Doch eine endgültige Entscheidung steht noch aus: mit der Empfindlichkeit der publizierten Messungen kann noch nicht entschieden werden, ob das biogene Isotopenverhältnis des molekularen Sauerstoffs in der Troposphäre oder das Isotopenverhältnis des stratosphärischen Ozons aufgespürt wird. Um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen, sind weitere Messungen erforderlich. Ein lohnendes Unterfangen, auch deshalb, weil der Ursprung des Isotopenverhältnisses von Ozon noch nicht vollständig geklärt ist. Man nimmt an, dass es durch eine Klasse schneller chemischer Reaktionen entsteht, die Isotope zwischen ihren Partnern austauschen.

„Wir zeigen, dass diese Reaktionen in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre mit inelastischen Kollisionen konkurrieren, die Quantenzustände anregen, ohne die elektrische Ladung oder chemische Bindungen zu verändern. Dieser Wettbewerb führt dazu, dass die Grundzustände von ¹⁸O anders besetzt werden als diejenigen von ¹⁶O, die sich in einem thermodynamischen Gleichgewicht befinden“, sagt Heinz-Wilhelm Hübers vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin. „Die relativen Stärken der gemessenen Spektrallinien sind entscheidend für den Nachweis dieses Ungleichgewichts. Zusammen mit empirischen Daten der Sauerstoffkonzentration in der Hochatmosphäre kann unsere Bestimmung der Isotopenfraktionierung korrigiert werden. Unsere Beobachtungen mit dem Ballonexperiment OSAS-B gehen in diese Richtung.“

Auf den ersten Blick scheint die Notwendigkeit einer solchen Korrektur die Analyse unnötig kompliziert zu machen. Auf den zweiten Blick bietet sie jedoch ein Instrument zur näheren Untersuchung der schnellen Isotopenaustauschreaktionen zwischen atomarem und molekularem Sauerstoff, die der Bildung von Ozon vorangehen. Dazu ist ein weiterer Stoff als Katalysator erforderlich, der in der Stratosphäre reichlich vorhanden ist, aber in größeren Höhen immer seltener wird. Nicht zuletzt implizieren von der Quantentheorie vorgegebene Auswahlregeln eine starke Temperaturabhängigkeit der Stoßanregung, die mit dem Austausch von Isotopen konkurriert. Dieser Effekt könnte letztlich zur Untermauerung empirische Modelle der oberen Atmosphäre genutzt werden.

„Zur Zeit sind wir noch nicht so weit. Um zu einem endgültigen Ergebnis zu kommen, sind noch weitere Experimente am Infrarothimmel erforderlich, die auf den erfolgreichen Beobachtungsprogrammen von SOFIA aufbauen“, schließt Helmut Wiesemeyer.

Hintergrundinformation:
SOFIA: Die fliegende Sternwarte SOFIA war ein Flugzeug vom Typ Boeing 747SP, das für den Transport eines Teleskops mit einem Durchmesser von 2,7 m umgebaut wurde. Es war ein gemeinsames Projekt der „National Aeronautics and Space Administration“ (NASA) in den USA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das „Ames Research Center“ der NASA im kalifornischen Silicon Valley leitete das SOFIA-Programm, die Wissenschaft und den Missionsbetrieb in Zusammenarbeit mit der „Universities Space Research Association“ (USRA) mit Hauptsitz in Columbia, Maryland, und dem Deutschen SOFIA-Institut (DSI) an der Universität Stuttgart. Das Flugzeug wurde vom Hangar 703 des „Armstrong Flight Research Center“ der NASA in Palmdale, Kalifornien, gewartet und betrieben.

GREAT: Der „German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies“ (Deutscher Empfänger für Astronomie bei Terahertz-Frequenzen) ist ein hochauflösendes Spektrometer für astronomische Beobachtungen im fernen Infrarotbereich von 0,06 bis 0,60 mm Wellenlänge. Dieser Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist aufgrund der Absorption in der Erdatmosphäre für bodengebundene Observatorien im Allgemeinen nicht zugänglich. Der modulare Aufbau des Instruments ermöglicht es, neue technologische Entwicklungen auch kurzfristig zu integrieren. GREAT wurde von 2011 bis 2022 an Bord von SOFIA betrieben. GREAT wurde vom Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und dem I. Physikalischen Instituts der Universität zu Köln entwickelt, in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin. Die Entwicklung von GREAT wurde von den beteiligten Instituten, vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs 956 finanziert.

Das Autorenteam umfasst Helmut Wiesemeyer, Rolf Güsten, Rebeca Aladro, Bernd Klein, Heinz-Wilhelm Hübers, Heiko Richter, Urs U. Graf, Matthias Justen, Yoko Okada und Jürgen Stutzki. Die ersten vier Autoren sind Mitarbeiter des MPIfR.

Originalveröffentlichung
First detection of the atomic ¹⁸O isotope in the mesosphere and lower thermosphere of Earth
Helmut Wiesemeyer et al., in: Physical Review Research 5, 013072, 1. Februar 2023
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.5.013072

Tracking Isotopes in the Upper Atmosphere
Matteo Rini, in: Physics 16, s19, 1. Februar 2023 (Kommentar zu Wiesemeyer et al.)
https://physics.aps.org/articles/v16/s19

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

Der Beitrag MPIfR: Sauerstoff in der Hochatmosphäre der Erde erschien zuerst auf Raumfahrer.net.