Quelle: MPS/Forschung/Planetenwissenschaften/Arbeitsgruppen/Planetare Materialien/Theia und Erde waren Nachbarn, 20. November 2025

In Kürze:

• Zutatenliste des Impaktors: In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science bestimmen Forschende die mögliche Zusammensetzung von Theia.
• Suche nach Geburtsort: Aus den „Zutaten“ des Einschlagskörpers lässt sich auf seinen Entstehungsort schließen. Dieser liegt im inneren Sonnensystem, wahrscheinlich sonnennäher als der der Erde.
• Mondproben im Labor: Bei den Analysen kam Mondgestein der Apollo-Missionen zum Einsatz. Erstmals nutzen Forschende das Verhältnis der Eisenisotope darin, um den Ursprung von Theia zu bestimmen.

Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren kam es zu dem wohl folgenreichsten Ereignis in der Geschichte unseres Planeten: Ein gewaltiger Himmelskörper, genannt Theia, schlug in die junge Erde ein. Wie sich der Zusammenstoß abspielte und was genau danach geschah, ist nicht endgültig geklärt. Sicher ist jedoch, dass sich als Folge Größe, Aufbau, Zusammensetzung und Umlaufbahn der Erde veränderten – und dass der Einschlag die Geburtsstunde unseres ständigen Begleiters im All, des Mondes, war.

Was war das für ein Körper, der den Werdegang unseres Planeten so dramatisch umschrieb? Wie groß war Theia? Aus welchem Material bestand sie? Und aus welchem Teil des Sonnensystems raste sie auf die Erde zu? Antworten auf solche Fragen zu finden, ist schwierig. Schließlich wurde Theia bei der Kollision vollständig zerstört. Dennoch finden sich noch heute Spuren von ihr, etwa in der Zusammensetzung der heutigen Erde und des Mondes. In der aktuellen Untersuchung, die am 20. November 2025 in der Fachzeitschrift Science erschien, schließen Forschende unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) und der Universität von Chicago auf diesem Wege auf die mögliche „Zutatenliste“ von Theia – und so auf ihren Entstehungsort.

In der Zusammensetzung eines Körpers ist seine gesamte Entstehungsgeschichte archiviert, auch sein Entstehungsort.
Thorsten Kleine, Direktor am MPS und Koautor der neuen Studie

Besonders aussagekräftig sind die Verhältnisse, in denen bestimmte Metallisotope in einem Körper vorliegen. Isotope sind Varianten desselben Elements, die sich allein durch die Anzahl ihrer Neutronen im Atomkern – und damit durch ihr Gewicht – unterscheiden. Im frühen Sonnensystem dürften die Isotope eines jeweiligen Elementes nicht gleichverteilt gewesen sein: Am äußeren Rand des Sonnensystems etwa kamen die Isotope in einem minimal anderen Verhältnis vor als in Sonnennähe. Informationen über die Herkunft seines ursprünglichen Baumaterials bleibt auf diese Weise in der Isotopenzusammensetzung eines Körpers gespeichert.

Suche nach Spuren von Theia in Erde und Mond
In der aktuellen Studie bestimmt das Forscherteam erstmals das Verhältnis verschiedener Eisenisotope in Erd- und Mondgestein mit bisher unerreichter Genauigkeit. Dafür untersuchen sie 15 Proben typischen Erdgesteins und sechs Gesteinsproben, die Astronauten der Apollo-Missionen zurück zur Erde gebracht haben. Das Ergebnis überrascht kaum: Wie schon frühere Messungen der Isotopenverhältnisse von Chrom, Kalzium, Titan und Zirkonium ergeben hatten, sind Erde und Mond in dieser Hinsicht nicht unterscheidbar.

Doch die große Ähnlichkeit erlaubt keinen direkten Rückschluss auf Theia. Dafür sind zu viele Kollisionsszenarien denkbar. Zwar gehen die meisten Modelle davon aus, dass sich der Mond fast ausschließlich aus Material von Theia formte. Es ist aber auch möglich, dass er vornehmlich aus Material des frühen Erdmantels besteht oder dass sich das Gestein von Erde und Theia untrennbar durchmischte.

Reverse Engineering eines Planeten
Um dennoch mehr über Theia zu erfahren, wandten die Forschenden eine Art Reverse Engineering für Planeten an. Ausgehend von den übereinstimmenden Isotopenverhältnissen in heutigem Erd- und Mondgestein spielte das Team durch, welche Zusammensetzungen und Größen von Theia sowie welche Zusammensetzung der frühen Erde zu diesem Endzustand geführt haben könnten. Die Forschenden schauten in ihren Untersuchungen nicht nur auf Eisenisotope, sondern auch auf solche von Chrom, Molybdän und Zirkonium. Die verschiedenen Elemente verschaffen Zugang zu unterschiedlichen Phasen der Planetenentstehung.

Lange vor der verheerenden Begegnung mit Theia hatte sich im Innern der frühen Erde eine Art Sortierprozess abgespielt. Mit Entstehung des Eisenkerns reicherten sich manche Elemente wie etwa Eisen oder Molybdän dort an; im Gesteinsmantel fehlten sie danach weitgehend. Das Eisen, das sich heute im Erdmantel findet, kann also erst nach der Kernbildung „zugereist“ sein, etwa an Bord von Theia. Andere Elemente wie Zirkonium, die nicht in den Kern sanken, dokumentieren hingegen die gesamte Entstehungsgeschichte unseres Planeten.

Meteoriten als Referenz
Von den rechnerisch möglichen Zusammensetzungen von Theia und der frühen Erde, die sich in den Berechnungen ergaben, scheiden einige als unplausibel aus.

Das überzeugendste Szenario ist, dass der Großteil des Baumaterials von Erde und Theia aus dem inneren Sonnensystem stammt. Erde und Theia dürften Nachbarn gewesen sein.
Timo Hopp, MPS-Wissenschaftler und Erstautor der neuen Studie

Während sich die Zusammensetzung der frühen Erde überwiegend als Mischung bekannter Meteoritenklassen darstellen lässt, ist dies bei Theia nicht der Fall. Verschiedene Meteoritenklassen sind in unterschiedlichen Bereichen des äußeren Sonnensystems entstanden. Sie dienen deshalb als Referenzmaterial für das Baumaterial, das bei der Entstehung der frühen Erde und von Theia zur Verfügung stand. Bei Theia dürfte auch eine größere Menge bisher unbekannten Materials im Spiel gewesen sein, dessen Ursprung die Forschenden näher an der Sonne verorten als die Erde. Die Rechnungen sprechen deshalb dafür, dass Theia sonnennäher entstanden ist als unser Planet.

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• Mond

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Im Juni 1986 erlebten Planetenforscher einen Heureka-Moment. Denn sie waren zum ersten Mal einig, wie die Erde zu ihrem ungebührlich großen Mond gekommen ist. Diese Erklärung gilt bis heute als das wahrscheinlichste Szenario: Kurz nach der Entstehung der Erde vor rund 4,5 Milliarden Jahren stieß ein marsgroßer Planet mit der Protoerde zusammen. Aus dem verdampften Gestein, das dabei ins All geschleudert wurde, bildete sich wenig später der Mond.

Karl erzählt in dieser Folge, wie es zu diesem Heureka-Moment kam – denn nur wenige Jahre zuvor war die Forschungswelt noch hochgradig zerstritten, was die Entstehung des Mondes anging. Mindestens eine Handvoll Hypothesen war im Rennen. Man diskutierte, ob der Mond sich von der Erde durch allzu große Fliehkraft abgespalten hatte oder ob er friedlich an der Seite der Erde aus dem Urnebel gewachsen war. Andere glaubten an ein eingefangenes Objekt aus der kosmischen Nachbarschaft – oder sogar an eine natürliche, nukleare Explosion tief im Erdinneren nahe dem Erdkern.

Schon in den 1940er Jahren war dem kanadischen Geologen Reginald Daly aufgefallen, dass die mittlere Dichte des Mondes recht genau der Dichte des Erdmantels entspricht. Aber erst die astronautischen Mondlandungen des Apollo-Programms und die Proben verschiedener Raumsonden brachten ab 1969 Gewissheit: Erdmantel und Mond müssen aus dem gleichen Urmaterial entstanden sein. Gleichzeitig besitzt der Mond nur einen winzigen Eisenkern. Alles zusammen wirkte wie ein Sieb für die diversen Modelle der Mondentstehung. Übrig blieb am Ende nur der große Einschlag.

Trotz der klaren Hinweise bleiben bis heute einige Fragen offen. Zum Beispiel ist weiter unklar, warum zwar der Fingerabdruck der Sauerstoff-Isotope in Erdmantel und Mond sehr gut übereinstimmen – immerhin das häufigste Element von Erde und Mond – aber einige Spurenstoffe teilweise radikal abweichen. Dazu gehört der Anteil von Eisen und anderen Metallen, aber auch von flüchtigen Stoffe wie Wasser oder Kohlendioxid. Herausfordernd für die heutige Forschung ist vor allem das Wachstum des Mondes direkt nach dem großen Einschlag, bei dem es ziemlich heiß hergegangen sein muss.

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Quelle: ESA / Applications, 15. Januar 2026

Copernicus ist die Erdbeobachtungskomponente des Weltraumprogramms der Europäischen Union. Der Start von Sentinel-2A im Jahr 2015 war ein wichtiger Meilenstein: Der Satellit kombiniert einen hochauflösenden multispektralen optischen Bildgeber mit einer Streifenbreite von 290 km und liefert spektakuläre Aufnahmen der sich verändernden Landschaften der Erde. Damit eröffnet er neue Perspektiven auf unsere Land- und Küstengebiete für die Landwirtschaft sowie die Wald- und Wasserbewirtschaftung – insbesondere für den Copernicus-Landüberwachungsdienst.

Nach mehr als 10 Jahren im Orbit findet der erste Copernicus Sentinel-2-Satellit, Sentinel-2A, immer noch neue Wege, um zur Erdbeobachtung beizutragen. Während seine jüngeren Geschwister Sentinel-2B und Sentinel-2C nun die Kernaufgabe der Mission übernehmen, hochauflösende, „kameraähnliche“ Bilder der Erdoberfläche zu liefern, erweitert die Europäische Weltraumorganisation ESA den ursprünglichen Aufgabenbereich von Sentinel-2A.

Der Satellit hat jedoch noch mehr geleistet – er lieferte auch neue Informationen über unsere Meeresbiologie, Methanemissionen und das sich verändernde Polareis.

Da die Sentinel-2-Mission auf zwei identischen Satelliten in derselben Umlaufbahn basiert, die für eine optimale Abdeckung und Datenübertragung im Abstand von 180° angeordnet sind, wurde Sentinel-2B im Jahr 2017 gestartet. Sentinel-2C folgte 2024, um Sentinel-2A zu ersetzen.
Alle Satelliten sind mit einem 13-Band-Multispektralbildgeber ausgestattet, der wie eine Kamera Licht zur Aufnahme von Bildern nutzt – in diesem Fall das von der Erdoberfläche und der Atmosphäre reflektierte Sonnenlicht, um den Planeten zu beobachten.
Allerdings herrscht während der nächtlichen Überflüge Dunkelheit für die Satelliten. Im Normalbetrieb werden die Bildgeber ausgeschaltet, wenn die Satelliten über die von Nacht umhüllten Teile des Planeten fliegen.

Im Wesentlichen wurde die aktuelle Generation der Sentinel-2-Satelliten, zu denen künftig auch Sentinel-2D gehören wird, nie für Nachtaufnahmen konzipiert – aber es ist geplant, dass die Nachfolgemission Sentinel-2 Next Generation dies über bestimmten Regionen tatsächlich tun wird.
Sentinel-2A nähert sich zwar dem Ende seiner Betriebsdauer, unterstützt aber weiterhin die operative Sentinel-2-Mission. Darüber hinaus nutzen Ingenieure und Wissenschaftler die verbleibende Zeit im Orbit, um neue Ideen für die Zukunft zu testen und die Mission „Next Generation“ vorzubereiten. Ein solches Experiment bestand darin, zu testen, wie sich der Satellit bei einer Inbetriebnahme in der Nacht verhält. Wie die in diesem Artikel gezeigten Testbilder belegen, hat er sich bemerkenswert gut geschlagen.

Simon Proud, Wissenschaftler der Sentinel-2-Mission der nächsten Generation der ESA, sagte: „Wir sind sehr zufrieden mit diesen Ergebnissen, die den Weg für die Sentinel-2-Mission der nächsten Generation ebnen. Sentinel-2A war nicht nur in der Lage, Bilder von Gasfackeln aus der Ölförderung im Nahen Osten aufzunehmen, die natürlich sehr hell sind, sondern auch subtilere Merkmale wie einen Waldbrand in Indien und Fischereiboote vor der Küste Südkoreas – und das alles während der Nacht.

Die aktuelle Sentinel-2-Mission ist nach wie vor hervorragend und liefert eine Fülle von Daten für die operativen Dienste von Copernicus, den kommerziellen Sektor und die Wissenschaft, aber wir erweitern nun die Grenzen dessen, was eine optische Mission leisten kann.

„Diese Experimente liefern uns wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung von Sentinel-2 Next Generation, das mit dem ehrgeizigen Ziel entwickelt wird, noch höher aufgelöste Bilder zu liefern und bestimmte Teile des Planeten auch bei Sonnenuntergang abzubilden. Derzeit legen wir die wichtigsten Merkmale fest, die die Mission der nächsten Generation bei Nacht erfüllen soll, und prüfen die technische Machbarkeit der Nachtbildgebung. Die Ergebnisse von Sentinel-2A zeigen, dass die Sentinel-2 Next Generation-Mission für alle unsere nächtlichen Ziele, darunter Stadtlichter, Gasfackeln und Fischereiüberwachung, einen erheblichen Beitrag an nützlichen Informationen für die Gemeinschaft leisten wird. Nachtbilder sind beispielsweise äußerst nützlich für die Sicherheit und die Überwachung von Stadtlichtern, die ein Indikator für das Wachstum von Städten sind.“

Ferran Gascon, Missionsmanager für Sentinel-2 bei der ESA, fügte hinzu: „Dieses Experiment wurde von den Missionsteams sorgfältig vorbereitet und hat natürlich den Sentinel-2A-Satelliten stark beansprucht, aber es hat sich gelohnt, zu untersuchen, was dieser alternde Satellit leisten kann, um uns auf die Zukunft vorzubereiten. Das Einschalten des Satelliten für Nachtaufnahmen erforderte viel Energie, aber Sentinel-2A hat seine Aufgabe sehr gut gemeistert.
Selbst nach zehn Jahren im Orbit und diesem anspruchsvollen Experiment ist der Satellit noch in bemerkenswert gutem Zustand und liefert weiterhin eine Fülle von Daten an viele Nutzer, die den Satelliten für eine Vielzahl von alltäglichen Anwendungen nutzen.“

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• Copernicus (früher GMES)
• Sentinel 2A auf Vega VV05

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Im Jahr 1914 wird in Dalj im Osten des heutigen Krotatiens ein Mann verhaftet. Er hatte in einem früheren Krieg als Soldat für das serbische Militär gekämpft und die Streitkräfte Österreich-Ungarns wollen ihn nun daran hindern, im kurz zuvor ausgebrochenen Weltkrieg zu kämpfen. Doch das hatte er ohnehin nicht vor: In seinem erzwungenen Exil in Budapest wird er in den kommenden vier Jahren fernab des Kriegsgeschehens eine Theorie ausarbeiten, die erstmals die Sphären des Himmels mit dem Klima der Erde verbinden wird. Er wird drei Phänomene entschlüsseln, die wir heute als Milanković-Zyklen kennen, benannt nach dem serbischen Mathematiker Milutin Milanković.

Karl erzählt in dieser Podcastfolge, welches Problem Milanković zu lösen versuchte: Schon ein Jahrhundert zuvor hatten Geologen erkannt, dass das Klima der Welt nicht immer so gewesen war wie in der Gegenwart. Im Jahr 1837 gab der Schweizer Naturforscher Louis Agassiz deshalb bekannt, dass in Europa in grauer Vorzeit eine Eiszeit geherrscht haben müsse. Riesige Gletschermassen hätten sich nicht nur über den gesamten Alpenraum ausgebreitet, sondern auch weite Teile Europas bedeckt.

In den folgenden Jahrzehnten erhärtete sich die Hypothese von Agassiz. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden heraus, dass es sogar mehrere Eiszeiten gegeben haben musste, die von Zeiten wärmeren Klimas unterbrochen waren, die unserer heutigen Welt glichen. Doch warum dieser Wechsel von Kalt- und Warmzeiten überhaupt stattfand, dafür gab es viele Hypothesen und nur wenig Konsens. Das Eiszeit-Problem war jahrzehntelang in der Welt, ohne dass die Wissenschaft einer Lösung näherkam.

Von Anfang an waren Unregelmäßigkeiten der Erdbahn und andere astronomische Ursachen im Gespräch, aber bei den meisten Geologen nicht hoch im Kurs. Zu fern schien der Lauf der Planeten, zu unwahrscheinlich, dass sie die Kraft der Sonnenstrahlung auf der Erde ausreichend stark verändern würden. Erst Milutin Milanković änderte diese Sichtweise: Er nutzte genauere astronomische Daten und die bekannten physikalische Gesetze seiner Zeit, um zu berechnen, wie die Sonne auf das Klima der Erde auf unterschiedlichen Breitengraden wirkt. Hatte dieser serbische Mathematiker endlich das Eiszeit-Problem gelöst?

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

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• AstroGeo Podcast
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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 10. September 2024.

10. September 2024 – Etwa vier Wochen nach dem erfolgreichen Doppelvorbeiflug der ESA-Raumsonde Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) an Mond und Erde haben die wissenschaftlich-technischen Teams des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen erste Messdaten ihrer beiden Instrumente an Bord ausgewertet. Die Daten verraten nicht nur, dass sowohl das Submillimetre Wave Instrument (SWI) als auch der Jovian Electron and Ion Sensor (JEI) des Particle Environment Package (PEP) wie erwartet funktionieren. Die Ergebnisse laden zudem zu einer Art kosmischem Kontrollexperiment ein: Was könnte eine außerirdische Raumsonde, ausgestattet wie JUICE und ohne Vorwissen über die Erde und ihre Bewohner, über unseren Planeten in Erfahrung bringen? Könnte sie die Struktur der Magnetosphäre, unseres magnetischen Schutzschildes, erkennen? Und würde sie die Erde für bewohnt halten?

Der Blick auf die Erde aus dem Weltall ist etwas Besonderes – ganz gleich, ob er durch die Augen von Astronauten oder durch die Messinstrumente einer unbemannten Raumsonde erfolgt. Entsprechende Aufnahmen, wie etwa die erste Farbaufnahme der gesamten Weltkugel durch die Mannschaft der Apollo 8-Mission im Jahre 1968 oder die Pale Blue Dot-Fotografie der Raumsonde Voyager 1 vor 34 Jahren, haben einen geradezu ikonischen Status erreicht. Gelegenheit zu einem ebensolchen Perspektivwechsel bot vor etwa vier Wochen der Vorbeiflug der ESA-Raumsonde JUICE an Mond und Erde.

Um auf ihrer acht Jahre währenden Reise zum Jupiter Fluggeschwindigkeit und -richtung anzupassen, war JUICE zunächst am 19. August 2024 in einem Abstand von 750 Kilometern am Mond, danach am 20. August 2024 in einem Abstand von 6840 Kilometern an der Erde vorbeigeflogen. Auch die wissenschaftlichen Messinstrumente, die unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut wurden, waren beim Doppel-Vorbeiflug eingeschaltet. Während SWI Zusammensetzung, Temperatur und Dynamik von Atmosphären untersucht, bestimmt PEP-JEI Energie und Verteilung geladener Teilchen in der Umgebung von Planeten.

Ein heißer Kandidat für die Existenz von Leben
Beim Erdvorbeiflug „horchte“ SWI nach den Signalen von mehr als hundert Molekülen in der Erdatmosphäre. Das Instrument suchte beispielsweise nach Wasserdampf, nach den als Grundbausteine für Leben geltenden Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel sowie nach Methan und anderen Molekülen, die als Stoffwechselprodukte auf Leben hinweisen. „Bisher haben wir nur einen kleinen Teil der Messdaten ausgewertet“, fasst MPS-Wissenschaftler Dr. Paul Hartogh, der das SWI-Team leitet, den aktuellen Stand zusammen. „Es spricht aber schon jetzt einiges dafür, dass die Erde ein heißer Kandidat für die Existenz von Leben ist“, fügt er schmunzelnd hinzu. Er erwartet, dass das SWI-Team zu einem ähnlichen Ergebnis kommen wird wie der Astronom Carl Sagan, der berühmte Vorreiter der Suche nach außerirdischem Leben. 1993 hatte der Forscher Messergebnisse des Erdvorbeiflugs der Raumsonde Galileo analysiert und darin deutliche Hinweise auf lebensfreundliche Umweltbedingungen und sogar Leben gefunden.

Anders als frühere Weltrauminstrumente setzt SWI auf eine neue Technologie. Das Heterodyn Spektrometer überlagert das empfangene Signal mit einer Referenzwelle und verschiebt es so in den Bereich klassischer Radiowellen. „SWI ist ein Pionier-Instrument, das so noch nie im tiefen Weltraum zum Einsatz gekommen ist“, so Hartogh. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Instruments ist die sehr hohe spektrale Auflösung. So lassen sich auch Signale sehr seltener Spurengase in der Atmosphäre selbst aus großer Entfernung aufspüren.

Beim Erdvorbeiflug gelangen dem Team auf diese Weise erstmals spektroskopische Messungen der Erdatmosphäre in einem Wellenlängenbereich um 1200 Gigahertz. Darin finden sich beispielsweise typische Signale von Ozon und Sauerstoff. „Unsere Messungen aus der Südpolregion zeigen eine vergleichsweise geringe Konzentration von Ozon“, beschreibt Hartogh. Zudem konnte das Team erstmals Windgeschwindigkeiten in der Erdatmosphäre durchgängig im Höhenbereich von der Stratosphäre bis hin zur Thermosphäre bestimmen. Dies umfasst die gesamte Region von etwa 15 Kilometern Höhe bis hin zu über 100 Kilometern Höhe, der Grenze zum Weltraum.

Flug durch Magnetopause
Auch für das Göttinger Instrument PEP-JEI war der Heimatbesuch eine wichtige Bewährungsprobe. Das Instrument misst die Energie der Ionen und Elektronen, welche die Raumsonde vor Ort umgeben. Im Jupitersystem soll es unter anderem mehr über die Struktur und Dynamik der gewaltigen Jupiter-Magnetosphäre in Erfahrung bringen.

Während der vier Zeitfenster, in denen das Instrument während des Manövers eingeschaltet war, durchflog JUICE offenbar verschiedene Bereiche der Erdmagnetosphäre. Dies lässt sich anhand der Messdaten erkennen. So durchquerte die Raumsonde mindestens viermal die Magnetopause, die Grenzfläche zwischen der Erdmagnetosphäre und dem Sonnenwind, und passierte am 21. August 2024 die Bugstoßwelle. An der Bugstoßwelle wird der Sonnenwind, der die Erde mit Überschallgeschwindigkeit umströmt, auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst. Die Daten zeigen zunächst Teilchen aus dem Einflussbereich der Erdmagnetosphäre, dann abrupt Protonen und Helium-Ionen des Sonnenwindes.

Zudem drang JUICE während des Vorbeiflugs in den innersten Bereich der Magnetosphäre vor. Die so genannte Plasmasphäre schmiegt sich torusförmig um die Erde und reicht bis mindestens 25500 Kilometer ins All. Das vergleichsweise kühle Plasma, das dort vorherrscht, besteht aus Elektronen, Protonen sowie Helium- und Sauerstoff-Ionen. „Die Zusammensetzung der Plasmasphäre ist bisher nur selten gemessen worden“, so MPS-Wissenschaftler und PEP-Teammitglied Dr. Markus Fränz. „Die aktuellen Beobachtungen von PEP-JEI lassen sich am besten mit einem sehr hohen Anteil von Sauerstoff-Ionen erklären“, fügt er hinzu.

„Beim Erdvorbeiflug ist es uns mit nur wenigen Messungen gelungen, Grundzüge der Magnetosphärenstruktur der Erde aufzudecken. Damit wissen wir nun, dass unser Instrument gut vorbereitet ist für Messungen am Jupiter“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Norbert Krupp aus dem PEP-Team. Im Jupitersystem wird JUICE deutlich länger verweilen und den Planeten auf vielen verschiedenen Umlaufbahnen umrunden. Die aktuellen Messdaten stimmen die Mitglieder des PEP-JEI-Teams deshalb hoffnungsfroh, dass so ein vollständiges Bild der Plasmaumgebung des Gasriesen entstehen wird.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: Universität Bayreuth 23. August 2024.

23. August 2024 – Die Bergwälder in Afrika stehen durch die zunehmende Entwaldung durch den Menschen deutlich unter Stress. „Am Kilimandscharo in Tansania wurden seit 1880 bereits über 50 Prozent der Waldfläche vernichtet“, erläutert Dr. Andreas Hemp von der Universität Bayreuth, Ko-Autor der Studie, der seit 35 Jahren am Kilimandscharo lebt und forscht. Mit Kollegen und Kolleginnen hat er jetzt herausgefunden: Der Klimawandel setzt dem noch eins drauf.

Unter Leitung von Marburger Geograph*innen wurde herausgefunden, dass die durchschnittliche Lufttemperatur in Gebieten, die stark gerodet wurden, steigt und die umgebenden Wolken mehr als 230 Meter höher liegen. In Bergregionen wie am Kilimandscharo können die Wälder dadurch deutlich weniger Wasser aus den Wolken „auskämmen“. „Das hat weitreichende Konsequenzen für den Wasserhaushalt und die Biodiversität in Afrika“, erläutert Dr. Dirk Zeuss vom Fachbereich Geographie der Philipps-Universität Marburg die Ergebnisse einer Studie mit internationaler Forschungsbeteiligung.

Die tropischen Bergwälder sind einzigartig in ihrer Biodiversität und ihren sogenannten Ökosystemdienstleistungen. Zu letzteren gehört beispielsweise die Produktion von Frischwasser für die Natur und auch den Menschen. Anhand von Satellitendaten hat das Marburger Forschungsteam berechnet, dass in den Jahren 2003 bis 2022 etwa 18 Prozent der Bergwälder Afrikas verloren gingen. Gründe dafür sind unter anderem die kleinbäuerliche Landwirtschaft und der Holzeinschlag. Infolge des Waldverlusts ändern sich auch weitere Umweltbedingungen, fanden die Forschenden durch das Zusammenführen verschiedenster Umweltdatensätze heraus. So stieg die Lufttemperatur um etwa 1,4 Grad Celsius und die untere Wolkenkante rückte 236 Meter nach oben. „Diese Verschiebung in Temperatur und Wolkenbildung kommt dabei eindeutig nicht durch den ohnehin schon vorhandenen Klimawandel, sondern durch den Verlust der Bergwälder“, interpretiert Dr. Dirk Zeuss die Ergebnisse. Zu diesen trug der Bayreuther Forscher Andreas Hemp maßgeblich bei: Er ist Projektleiter in der DFG-Forschungsgruppe „The role of nature for human well-being in the Kilimanjaro Social-Ecological System (Kili-SES)“ an der Universität Bayreuth. Hemp hat seit 1996 ein meteorologisches Netzwerk am Kilimanjaro aufgebaut, dessen Daten maßgeblich für die hier vorliegenden Forschungsergebnisse waren. Er war mit logistischer und wissenschaftlicher Unterstützung an den Messungen für die aktuelle Studie beteiligt.

„Das bedeutet, dass von Menschen gemachte Eingriffe wie das Abholzen den Klimawandel verschärfen“, erläutert der Marburger Forscher Dr. Temesgen Abera. „Wir müssen also sehr viel stärker die Bergwälder in den Blick nehmen und vor Abholzung schützen, da sie Biodiversität, Frischwasserproduktion und viele andere Ökosystemleistungen in den Tropen bedroht.“ Abera ist derzeit Forschungsstipendiat der Alexander von Humboldt-Stiftung an der Uni Marburg.

Zur Publikation trugen Forschungsgruppen unter Marburger Leitung von der Universität in Helsinki, Finnland, dem finnischen Meteorologischen Institut in Helsinki, der Universität Bayreuth, der Universität in Addis Abeba, Äthiopien, der Wuhan-Universität, China, und der North-West-Universität in Südafrika bei.

Originalpublikation:
Abera, T.A., Heiskanen, J., Maeda, E.E. et al. Deforestation amplifies climate change effects on warming and cloud level rise in African montane forests. Nat Commun 15, 6992 (2024). doi.org/10.1038/s41467-024-51324-7
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51324-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-024-51324-7.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: GFZ 21. August 2024.

21. August 2024 – Im Zeitalter einer schnell wachsenden Flotte von Satelliten im Weltraum ist die genaue Vorhersage von Weltraumwetterphänomenen wie sturmartigen Verstärkungen von elektromagnetischen Feldern und Teilchenströmen unerlässlich, um die Satelliteninfrastruktur vor Schäden und Systemausfällen zu schützen. Ähnlich wie die Genauigkeit von Wettervorhersagen auf der Erde von der genauen Kenntnis der aktuellen atmosphärischen Bedingungen abhängt, erfordert die Vorhersage der Wetterphänomene des erdnahen Weltraums ein tiefes Verständnis des aktuellen Zustands der dynamischen Strahlungsgürtel, die die Erde umgeben. Ein internationales Forschungsteam um Bernhard Haas und Yuri Shprits vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ hat – in Zusammenarbeit mit dem Sonderforschungsbereich „Data assimilation“ der Universität Potsdam – am Beispiel eines geomagnetischen Sturms gezeigt, wie das in der terrestrischen Wettervorhersage sehr leistungsfähige Prinzip der Datenassimilation hierfür genutzt werden kann. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, das aus einer Fülle von punktuellen Echtzeit-Messungen, in diesem Fall per Satellit, mithilfe physikalisch basierter Modelle fortlaufend einen stimmigen Gesamt-Ausgangszustand für die weiteren Prognosen ermittelt. Die Studie ist im Fachmagazin Nature Scientific Reports erschienen.

Hintergrund: Notwendigkeit und Herausforderung bei der Weltraumwettervorhersage
Die Strahlungsgürtel und der Ringstrom, die die Erde im Weltraum umgeben, stellen eine Bedrohung für Satelliten dar: Die dort fliegenden geladenen Teilchen können durch Effekte wie Aufladung oder Oberflächenladung an elektronischen Komponenten vorübergehende Fehlfunktionen oder irreversible Schäden verursachen. Bei geomagnetischen Stürmen, die die Teilchenströme verstärken und „verwirbeln“, steigt diese Gefährdungslage. Eine rechtzeitige Vorhersage solcher Gefahren kann Satellitenbetreibern helfen, ihre wertvollen Anlagen zu schützen.

Um die Teilchenströme um die Erde räumlich und zeitlich möglichst präzise vorhersagen zu können, ist es notwendig, den Ausgangszustand permanent möglichst genau zu kennen. Hierfür stehen aber nur punktuelle Messungen von einigen spezialisierten Satelliten zur Verfügung. Das globale Bild muss daraus mithilfe von Modellen errechnet werden.

Zwar sind in der Modellierung und Beschreibung der Ringströme grundsätzlich Fortschritte zu verzeichnen. So hat eine Mitte 2023 von Forschern des GFZ publizierte Studie einen bislang nicht berücksichtigten Verlustmechanismus von Teilchen im Ringstrom entdeckt, der die Genauigkeit der Weltraumwettervorhersage entscheidend verbessern könnte. Und mit physikalischen Modellen lässt sich die grundlegende Dynamik des Ringstroms in geomagnetisch ruhigen Zeiten bereits gut darstellen.

„Insbesondere bei hochdynamischen Ereignissen wie geomagnetischen Stürmen sind globale Zustandsbeschreibungen in nahezu Echtzeit aber immer noch eine Herausforderung“, sagt Bernhard Haas, Doktorand in der GFZ-Sektion Weltraumphysik und Weltraumwetter und Erstautor der Studie.

Übertragung einer Methode aus der Meteorologie: die Datenassimilation
Daher machten sich Haas und sein Team vom GFZ um Yuri Shprits, Leiter der Sektion und Professor an der Universität Potsdam, zusammen mit weiteren Forschenden des Sonderforschungsbereichs „Data Assimilation“ (SFB 1294) der Universität Potsdam sowie aus den USA und Japan die Vorteile der sogenannten Datenassimilation zunutze. Dieses Verfahren hat sich bereits in der Meteorologie als unverzichtbar erwiesen, wo ebenfalls kleine Unsicherheiten in der Kenntnis des aktuellen Zustands zu erheblichen Fehlern in zukünftigen Vorhersagen führen können.

Als Datenassimilation bezeichnet man das Zusammenführen von Informationen aus Messungen und physikalischen Modellen. Ein zugrundeliegender Algorithmus ist beispielsweise der auch in der vorliegenden Studie verwendete Kalman-Filter. In einer iterativen Schleife wird der zukünftige Zustand auf Basis der jeweils aktuell verfügbaren Messdaten und des zugrundeliegenden physikalischen Modells permanent neu abgeschätzt, inklusive Angabe der dazugehörigen Unsicherheit.

Auch im Bereich der Weltraumwettervorhersage ist die Assimilierung von Echtzeitdaten der Teilchenflüsse, die von Satelliten bereitgestellt werden, ein Schlüssel, um Erkenntnisse über den gegenwärtigen Zustand der Weltraumumgebung zu gewinnen und Analysen nach extremen Ereignissen wie geomagnetischen Stürmen durchzuführen.

Validierung des Ansatzes mit Daten aus einem geomagnetischen Sturm 2017
Während bisherige Bemühungen, mit diesem Ansatz zu arbeiten, aufgrund begrenzter Datenmengen nicht quantitativ validiert werden konnten, boten die Van-Allen-Sonden der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA und der Arase-Satellit der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine einzigartige Gelegenheit hierfür: Es umkreisten gleich mehrere hochspezialisierte Satelliten gleichzeitig die Erde. Sie konnten während des geomagnetischen Sturms am 7. September 2017 hochpräzise Daten über die Teilchenflüsse liefern. Dabei befanden sich die Van-Allen-Sonden auf der Tagseite der Erde, Arase auf der gegenüberliegenden Nachtseite. Diese Kombination ermöglichte es den Forschenden, die Ergebnisse der Assimilierung von Daten eines Satelliten durch die des anderen zu validieren und die globale Reaktion des Ringstroms während dieses Ereignisses zu untersuchen.

Resümee
„Die Ergebnisse unserer Studie unterstreichen, dass die Datenassimilation bei geomagnetischen Stürmen, bei denen die Vorhersage des dynamischen Systems schwierig ist, zu einem entscheidenden Instrument wird. Dabei reicht die Assimilierung von Messungen eines einzigen Satelliten aus, um die globalen Modellergebnisse erheblich zu verbessern. Das stellt die traditionellen Annahmen in der Meteorologie in Frage, wo oft große Datenmengen für die Assimilierung verwendet werden“, resümiert Bernhard Haas.

Yuri Shprits betont: „Das am GFZ betriebene Ringstrommodell kombiniert alle verfügbaren Daten, auch von anderen Satelliten, mit unserem hochmodernen Modell und liefert so die genaueste Rekonstruktion des aktuellen Zustands der gefährlichen Weltraumumgebung sowie präzise Vorhersagen für die Zukunft. Diese Forschung ebnet den Weg für eine neue Art von Vorhersagen auf der Grundlage von Messungen, die zum Schutz unserer wertvollsten Güter im Weltraum beitragen werden.“

Originalstudie:
Haas, B., Shprits, Y.Y., Wutzig, M. et al. Global validation of data-assimilative electron ring current nowcast for space weather applications. Sci Rep 14, 2327 (2024).
doi.org/10.1038/s41598-024-52187-0
https://www.nature.com/articles/s41598-024-52187-0
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-024-52187-0.pdf

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• Weltraumwetter

Der Beitrag GFZ: Neuer Ansatz für bessere Weltraumwettervorhersagen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESA 21. August 2024.

21. August 2024 – Die engste Annäherung an den Mond erfolgte am 19. August um 23:15 Uhr MESZ und führte Juice etwas mehr als 24 Stunden später, um 23:56 Uhr MESZ am 20. August, zur bisher engsten Annäherung an die Erde.

Als Juice gerade einmal 6840 km über Südostasien und dem Pazifik flog, nahm es mit seinen Überwachungskameras an Bord eine Reihe von Bildern auf und sammelte wissenschaftliche Daten mit acht seiner zehn Instrumente.

„Der Vorbeiflug mit Schwerkraftunterstützung war einwandfrei, alles verlief reibungslos, und wir waren begeistert, dass Juice der Erde so nahe kam“, sagt Ignacio Tanco, Raumfahrzeug-Betriebsleiter für die Mission.

Zweck des Vorbeiflugs war es, die Flugbahn von Juice im Weltraum umzulenken, indem die Schwerkraft zunächst des Mondes und dann der Erde genutzt wurden, um die Geschwindigkeit und Richtung des Raumfahrzeugs zu ändern.

Der Vorbeiflug am Mond erhöhte die Geschwindigkeit von Juice um 0,9 km/s relativ zur Sonne und lenkte Juice in Richtung Erde. Der Vorbeiflug an der Erde reduzierte die Geschwindigkeit von Juice um 4,8 km/s relativ zur Sonne und lenkte Juice auf eine neue Flugbahn in Richtung Venus.

Insgesamt wurde Juice durch den Vorbeiflug am Mond und an der Erde um einen Winkel von 100 °, im Vergleich zur Flugbahn vor diesem Vorbeiflug, umgelenkt.

Der von Natur aus riskante Vorbeiflug erforderte eine hochpräzise Echtzeitnavigation, spart der Mission dadurch aber rund 100-150 kg Treibstoff. Im Monat vor dem Vorbeiflug gaben die Betreiber der Raumsonde Juice leichte Anstöße, um sie auf genau die richtige Anflugbahn zu bringen. Danach verfolgten sie Juice zwischen dem 17. und 22. August rund um die Uhr.

Dank eines einwandfreien Ariane-5-Starts im April 2023 hat Juice etwas mehr Treibstoff in den Tanks, um dem Jupiter-Mond Ganymed näher zu kommen als ursprünglich geplant. Der Erfolg des Vorbeiflugs am Mond und an der Erde hat diesen wissenschaftlichen Bonus gesichert.

„Dank der sehr präzisen Navigation durch das Flugdynamik-Team von ESA ist es uns gelungen, nur einen winzigen Bruchteil des Treibstoffs zu verwenden, der für diesen Vorbeiflug reserviert war. Dadurch haben wir mehr Reserven für unerwartete Ereignisse oder um die Wissenschaftsmission zu verlängern, sobald wir Jupiter erreicht haben“, ergänzt Ignacio.

Ein erster Vorgeschmack auf die Wissenschaft im Weltraum
Während das Hauptziel darin bestand, die Flugbahn von Juice zu ändern, bot der Vorbeiflug an Mond und Erde auch eine Gelegenheit, die wissenschaftlichen Instrumente von Juice im Weltraum zu testen: alle zehn Insturmente wurden während des Vorbeiflugs am Mond eingeschaltet, und acht während des Vorbeiflugs an der Erde.

Geplant ist, in den nächsten Wochen Bilder und Spektren zu veröffentlichen, die von einigen der Juice-Instrumente aufgenommen wurden, sobald diese von der Raumsonde heruntergeladen und von den Instrumentenwissenschaftlern ausgewertet wurden. Dazu gehören auch hochauflösende Bilder vom Mond und der Erde, die von Juice ’s wissenschaftlicher Kamera JANUS aufgenommen wurden.

„Der Zeitpunkt und Ort dieses doppelten Vorbeiflugs ermöglicht es uns, das Verhalten der Juice-Instrumente gründlich zu studieren“, erklärt Claire Vallat, Juice-Operationswissenschaftlerin.

„Das alles passierte früh genug auf Juice’s Reise, dass wir die Daten nutzen können, um die Instrumente auf die Ankunft am Jupiter vorzubereiten. Und angesichts dessen, wie gut wir die physikalischen Eigenschaften der Erde, des Mondes und der umgebenden Weltraumumgebung kennen, ist es auch der ideale Ort, um zu verstehen, wie die Instrumente auf ein reales Ziel reagieren.“

Nächster Schritt: Venus
Dieser Vorbeiflug am Mond und an der Erde reduzierte tatsächlich die Energie von Juice und leitete sie in Richtung eines Treffens mit dem Planeten Venus im August 2025 um. Der Vorbeiflug an Venus wird Juice wieder in Richtung Erde bringen; die Sonde wird im September 2026 und im Januar 2029 wieder an unserem Heimatplaneten vorbeifliegen und zwei weitere Boosts gewinnen, bevor sie im Juli 2031 am Jupiter ankommt.

Über Juice
ESA Jupiter-Eismonde-Entdecker, „Juice“, ist die nächste kühne Mission der Menschheit zum äußeren Sonnensystem. Sie wird detaillierte Beobachtungen des Gasriesen Jupiter und seiner drei großen ozeanhaltigen Monde – Ganymed, Kallisto und Europa – durchführen.

Diese ehrgeizige Mission wird diese Monde mit einer leistungsstarken Suite von Fernerfassung, geophysikalischen und in-situ-Instrumenten charakterisieren, um mehr über diese faszinierenden Ziele als potenzielle Lebensräume für vergangenes oder gegenwärtiges Leben zu erfahren.

Juice wird die komplexe Magnet -, Strahlen- und Plasmaumgebung des Jupiters und deren Zusammenspiel mit den Monden genauestens beobachten und dabei das Jupitersystem als Archetyp für Gasriesensysteme im gesamten Universum untersuchen.

Juice startete im April 2023 mit einer Ariane 5 vom Europäischen Weltraumbahnhof in Kourou. Sie hat eine achtjährige Reise mit Vorbeiflügen an der Erde und an Venus, um zum Jupiter zu gelangen. Sie wird 35 Vorbeiflüge an den drei großen Monden machen, während sie den Jupiter umkreist, bevor sie ihre Umlaufbahn zu Ganymed ändert.

Juice ist eine Mission unter ESA Führung mit Beiträgen von NASA, JAXA und der israelischen Raumfahrtagentur. Es ist die erste Großmission im Rahmen des ESA-Programms Cosmic Vision.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

Der Beitrag ESA: Juice im weltweit ersten Vorbeiflug am Mond und an Erde auf Kurs zur Venus geleitet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 20. August 2024.

20. August 2024 – Die Erwärmung des Ozeans bei den Fidschi-Inseln im Südwestpazifik zeigt den höchsten Stand seit über 600 Jahren. Dies geht aus der Auswertung von Korallendaten hervor, die ein internationales Team von Forschenden vorgenommen hat. Die Daten sind ein weiterer Beweis für die beispiellose Erwärmung des westlichen Pazifiks. 2022 war demnach in der Region das wärmste Jahr seit dem Jahr 1370. Die Forschenden haben einen über zwei Meter langen Kern aus der Riesenkoralle Diploastrea heliopora untersucht und konnten aus der chemischen Zusammensetzung Rückschlüsse auf die Temperaturentwicklung im Verlauf von 627 Jahren ziehen. Dies wurde um Messungen der Wassertemperatur für weitere 26 Jahre ergänzt. Der südwestliche Pazifik spielt eine zentrale Rolle für die Regulation globaler Klimamuster, wie beispielsweise des Wetterphänomens El Niño-Southern Oscillation, eines der wichtigsten Phänomene mit Auswirkungen auf das globale Klima – und damit auf den Menschen und die Umwelt weltweit.

Korallen dienen als lebende Temperatursensoren
Das Team unter der Führung der Universidad Nacional Autónoma de México und der University of Leicester legte damit die bisher längste kontinuierliche Rekonstruktion der Meeresoberflächentemperatur vor, die anhand des Verhältnisses von Strontium zu Kalzium einer Koralle vorgenommen wurde. Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat zu der Datierung – die mit jährlicher Auflösung erfolgt – beigetragen. „Wir haben das Alter der abgelagerten Schichten mithilfe der Uran-Thorium-Datierungsmethode bestimmt und konnten damit die Zählung der einzelnen jährlichen Lagen unabhängig bestätigen. Damit war eine präzise, absolute Datierung der Koralle möglich“, erklärt Prof. Dr. Denis Scholz, Leiter der Arbeitsgruppe Isotopengeochemische Paläoklimatologie/Speläothemforschung am Institut für Geowissenschaften. Diploastrea heliopora wächst in einem Jahr durchschnittlich um nur drei bis sechs Millimeter.

Die Korallen mit ihrem langen Lebensalter dienen den Forschenden somit als Temperatursensoren: Sie haben in ihrem Skelett die Klima- und Umweltveränderungen gespeichert, die das Korallenriff über Jahrhunderte geprägt hat. Wie die Studie darlegt, ist die aktuelle Meerestemperatur auf dem Fidschi-Archipel die höchste in den vergangenen 653 Jahren. Über verschiedene Korrelationen und Temperaturgradienten zwischen tropischen und subtropischen Pazifikgebieten zeigt die Forschungsarbeit, dass die Bedingungen im 20. Jahrhundert von den Trends der vergangenen sechs Jahrhunderte abweichen. In Verbindung mit derzeitigen Klimamodell-Simulationen wäre demnach zu erwarten, dass es im Verlauf des 21. Jahrhunderts zu weiterer Trockenheit oder Starkregen kommt, je nach Position im Pazifik, und damit, falls nicht gegengesteuert wird, zu nachteiligen Auswirkungen für Bewohner der gefährdeten pazifischen Inseln und ihrer Ökosysteme.

Internationale Kooperation mit Beteiligten von drei Kontinenten
Die Studie erfolgte in Zusammenarbeit zwischen der Universidad Nacional Autónoma de México, der Universidad Autónoma de Baja California, der University of Leicester, der University of New South Wales, der Monash University, der Université de Bordeaux, dem Helmholtz-Zentrum Hereon und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Veröffentlichung:
Juan P. D’Olivo, Jens Zinke et al.
Coral Sr/Ca-SST reconstruction from Fiji extending to ~1370 CE reveals insights into the Interdecadal Pacific Oscillation
Science Advances, 14. August 2024
DOI: 10.1126/sciadv.ado5107
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado5107

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Hamburg 12. August 2024.

12. August 2024 – Eine neue Studie des Exzellenzclusters CLICCS der Universität Hamburg zeigt, wie viel CO₂ im Arktischen Ozean durch die Erosion von Permafrost in die Atmosphäre entweicht.

Die Weltmeere mildern den Klimawandel, denn sie entziehen der Atmosphäre rund 30 Prozent der vom Menschen freigesetzten Treibhausgase. Doch dieser Anteil wird durch die Folgen der Erderwärmung beeinflusst. Zum Beispiel durch die Erosion von Permafrostboden an den Küsten des Arktischen Ozeans. Diese reduziert die CO₂-Aufnahmefähigkeit des Meerwassers deutlich. Dr. David Nielsen und sein Team können erstmals in Klimamodellen darstellen, wie stark sich dieser Effekt in der Zukunft auswirken wird. Die Studie ist jetzt im Fachmagazin Nature Climate Change erschienen.

Demnach werden im Arktischen Ozean pro Jahr und pro Grad Celsius globaler Temperaturerhöhung ein bis zwei Millionen Tonnen CO₂ weniger von der Atmosphäre aufgenommen als bisher angenommen. Das entspricht einem Zehntel der Emissionen, die in Europa jährlich durch den Autoverkehr verursacht werden.

Durch das Auftauen und Abtragen der über Jahrtausende gefrorenen Küstenstreifen gelangen große Mengen Erdboden und Sedimente in den Ozean. Wie die Partikel genau mit dem Meerwasser reagieren, hängt von ihrer Zusammensetzung ab. In jedem Fall erhöhen sie mit ihren organischen Bestandteilen den Kohlenstoffgehalt im Wasser und verringern so die Aufnahmefähigkeit für CO₂ aus der Luft – und zwar um zehn bis 15 Prozent im gesamten Arktischen Ozean, wie das Team berechnete.

„Wir können den Meeren dankbar sein, dass sie einen großen Teil unserer Treibhausgase aufnehmen“, sagt Klimaforscher Nielsen. „Doch vielleicht setzt sich diese Dienstleistung der Meere nicht unbegrenzt fort. Wenn wir wissen wollen, ob wir uns auch in Zukunft auf ihre Wirkung verlassen können, müssen wir die Mechanismen der CO₂-Aufnahme genau verstehen.“

Nielsens Studie trägt dazu bei, den Einfluss von Permafrost-Erosion besser zu verstehen. Dadurch kann dieser künftig in Klimavorhersagen und Kohlenstoffbudgets mitberücksichtigt werden. So könnte sich die Erosion bis zum Jahr 2100 um den Faktor zwei bis drei beschleunigen. Das Team untersuchte deshalb verschiedene Szenarien für Küstenerosion, je nachdem, wie erfolgreich sich der Klimaschutz weltweit entwickelt.

Orginalpublikation:
Nielsen DM, Chegini F, Maerz J, Brune S, Mathis M, Dobrynin M, Baehr J, Brovkin V, Ilyina T (2024): Reduced Arctic Ocean CO₂ uptake due to coastal permafrost erosion; Nature Climate Change; https://www.nature.com/articles/s41558-024-02074-3

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Bern 24. Juli 2024.

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

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

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

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

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

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

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

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• Klimawandel

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Quelle: ESA 15. Juli 2024.

15. Juli 2024 – Es ist eine doppelte Weltpremiere. Der erste Vorbeiflug an Mond und Erde sowie das erste Doppelmanöver zur Schwerkraftumlenkung. Dabei werden die Geschwindigkeit und Richtung von Juice geändert, um ihren Kurs durch den Weltraum zu modifizieren, doch es ist ein gewagtes Unterfangen; der kleinste Fehler könnte Juice vom Kurs abbringen und das Ende der Mission bedeuten.

Nach dem Start von Juice im April 2023 ist dieser Vorbeiflug an Mond und Erde der erste Schritt im „Walzer“ der Sonde durch das Sonnensystem auf ihrer Reise zum Jupiter.
Während des Vorbeiflugs wird die Anziehungskraft der Erde die Bahn von Juice durch den Weltraum krümmen, sie sozusagen „abbremsen“ und auf den Kurs für einen Vorbeiflug an der Venus im August 2025 umleiten. Von diesem Moment an werden die Energieschübe beginnen, Juice wird von der Venus und dann zweimal von der Erde beschleunigt – das Weltraum-Äquivalent zum Trinken von drei Espressi hintereinander.

Wozu braucht man das alles?
Jupiter ist im Durchschnitt „nur“ 800 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Ohne eine riesige Rakete zur Verfügung würde der direkte Transport von Juice zum Riesenplaneten 60 000 kg Treibstoff an Bord erfordern, ein Ding der Unmöglichkeit. Darüber hinaus müsste Juice eine enorme zusätzliche Menge an Treibstoff mitführen, um sich selbst genug abzubremsen, damit sie nach ihrer Ankunft in eine Umlaufbahn um den Jupiter gelangen kann, anstatt einfach vorbeizuschnellen und ins Weltall hinauszutreiben.

Juice nimmt also die „touristische“ Route durchs Sonnensystem und nutzt die Schwerkraft anderer Planeten, um ihre Bahn durch den Weltraum sorgfältig anzupassen und sicherzustellen, dass sie mit der richtigen Geschwindigkeit und Richtung am Jupiter ankommt. Diese unglaublich komplexe, sich ständig weiterentwickelnde Route hat das engagierte Missionsanalyse-Team von Juice in den letzten 20 Jahren sorgfältig geplant.

Es erscheint kontraintuitiv, dass die Verlangsamung von Juice durch den Mond-Erde-Vorbeiflug an diesem Punkt der Reise effizienter ist als eine Beschleunigung durch den Vorbeiflug. Hätten wir diesen Vorbeiflug genutzt, um Juice einen Schub in Richtung Mars zu geben, hätten wir jedoch lange auf den nächsten planetaren Vorbeiflug warten müssen. Dieses erste „Brems“- Manöver ist also eine Möglichkeit, eine Abkürzung durch das innere Sonnensystem zu nehmen.

Wie funktioniert das Ganze?
Das Flugkontrollteam der Mission hat die Flugbahn von Juice bereits angepasst, um sicherzustellen, dass sie zuerst den Mond erreicht, dann einen Tag später die Erde und zwar genau zur richtigen Zeit, mit der richtigen Geschwindigkeit und in der richtigen Richtung. Obwohl alle zuversichtlich sind, dass das Manöver erfolgreich sein wird, ist es eine große Herausforderung, vor der bisher noch keine andere Weltraummission stand.

Der Flugdirektor von Juice, Ignacio Tanco, sagt: „Es ist, als würde man einen sehr schmalen Korridor sehr, sehr schnell durchqueren: auf Maximum zu beschleunigen, während die Fahrbahnkante gerade mal Millimeter entfernt ist.“

Juice wird sowohl dem Mond als auch der Erde extrem nahekommen, sodass bei allen Navigationsmanövern Genauigkeit in Echtzeit erforderlich ist. Vom 17.-22. August steht Juice in ständigem Kontakt mit Bodenstationen auf der ganzen Welt. In jeder Sekunde des Weges, bei Tag und Nacht, werden die Kontrollteams die Daten von Juice sorgfältig überwachen und auch kleinste Anpassungen vornehmen, wenn sie erforderlich sind, um die Sonde auf dem richtigen Kurs zu halten.

Bonus-Wissenschaft!
Als ob es nicht ausreichen würde, Juice um zwei enorme Hürden im All zu lenken, wird die ESA noch dazu zehn wissenschaftliche Instrumente an Bord des Raumfahrzeugs aktivieren, während es an Mond und Erde vorbeizieht.

Der Vorbeiflug an Mond und Erde bietet Instrumententeams eine erstklassige Testumgebung, um erstmals Daten von einer realen Oberfläche im Weltraum zu sammeln und zu analysieren. Für einige Instrumente ist dies die einzige Gelegenheit, während Juices gesamter achtjähriger Reise zum Jupiter bestimmte Messungen vorzunehmen. Sie wird Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen die Möglichkeit geben, ihre Instrumente zu kalibrieren, verbleibende Probleme zu lösen, und wer weiß, sie könnten sogar einige überraschende wissenschaftliche Entdeckungen machen.

Der Vorbeiflug an Mond und Erde ist besonders wichtig für das Radar zur Erforschung eisiger Monde (RIME) an Bord – die RIME-Daten werden durch ein elektronisches Rauschen an Bord gestört.

Der Vorbeiflug am Mond am 19. August ist für das RIME-Team eine von nur wenigen Gelegenheiten vor der Ankunft am Jupiter, um zu überprüfen, wie sich dieses Rauschen auf die Leistung des Instruments auswirkt. Während der nächsten Annäherung an den Mond wird RIME acht Minuten Zeit haben, um alleine zu beobachten, während die anderen Instrumente entweder ausgeschaltet oder in den Ruhemodus versetzt werden. Basierend auf diesen Beobachtungen wird das RIME-Team an einem Algorithmus arbeiten, um das Rauschproblem zu beheben.

Wie können Sie alles mitverfolgen?
Ein paar Glückliche können Juice wahrscheinlich beobachten, während die Sonde direkt über Südostasien und den Pazifik fliegt. Ein leistungsstarkes Fernglas oder ein Teleskop geben Ihnen die beste Chance, das Raumfahrzeug zu sehen. Trajektoriendaten finden Sie hier.

Währenddessen werden die beiden Bordkameras von Juice während des gesamten Vorbeiflugs an Mond und Erde Fotos aufnehmen, die wir über die sozialen Medien und unseren Rocket Science-Blog veröffentlichen werden, sobald sie auf der Erde empfangen werden.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: ETH Zürich 15. Juli 2024.

15. Juli 2024 – Forschende der ETH Zürich haben in der bislang umfassendsten Modellierung – sowie mit KI-Methoden – zum ersten Mal die verschiedenen Ursachen der langfristigen Polbewegung vollständig erklären können. Ihr Modell und ihre Beobachtungen zeigen, dass Klimawandel und Erderwärmung einen grösseren Einfluss auf die Drehgeschwindigkeit der Erde haben als die Wirkung des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tageslänge bestimmt.

Durch den Klimawandel schmelzen die Eismassen in Grönland und der Antarktis. Das Wasser aus den Polgegenden fliesst in die globalen Ozeane und vor allem auch in den Äquatorbereich. «Das heisst, es findet eine Massenverlagerung statt, und diese wirkt sich auf die Erdrotation aus», erklärt Benedikt Soja, Professor für Weltraumgeodäsie am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich.

«Man kann sich das so vorstellen, wie wenn eine Eiskunstläuferin bei einer Pirouette die Arme zuerst am Körper hält und dann ausstreckt.» Die anfänglich schnelle Drehung wird dadurch langsamer, weil die Massen sich von der Drehachse entfernen und die physikalische Trägheit zunimmt. In der Physik spricht man vom Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses, dem auch die Erdrotationsbewegung gehorcht. Dreht sich die Erde langsamer, werden die Tage länger. Der Klimawandel verändert somit auch die Tageslänge auf der Erde, wenn auch nur minimal.

Unterstützt von der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA haben ETH-Forschende aus Sojas Gruppe zwei aktuelle Studien in den Zeitschriften «Nature Geoscience» und «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS) veröffentlicht, wie sich der Klimawandel auf die Polbewegung und die Tageslänge auswirkt.

Klimawandel übertrifft den Einfluss des Mondes
In der PNAS-Studie zeigen die ETH-Forschenden, dass sich durch den Klimawandel auch die Tageslänge von derzeit rund 86400 Sekunden um einige Millisekunden erhöht. Denn Wasser fliesst von den Polen in niedrigere Breiten und verlangsamt dadurch die Rotationsgeschwindigkeit.

Eine andere Ursache für diese Verlangsamung ist die Gezeitenreibung, die vom Mond ausgelöst wird. Die neue Studie kommt dabei zu einem überraschenden Ergebnis: Wenn die Menschen weiterhin mehr Treibhausgase ausstossen, und sich die Erde dementsprechend erwärmt, hätte dies letztendlich einen grösseren Einfluss auf die Drehgeschwindigkeit der Erde als die Wirkung des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tageslänge bestimmt. «Wir Menschen haben einen grösseren Einfluss auf unsere Erde als wir denken», schliesst Benedikt Soja, «und daraus resultiert natürlich auch eine grosse Verantwortung für die Zukunft unseres Planeten.»

Die Drehachse der Erde verschiebt sich
Die durch die Eisschmelze bedingten Massenverlagerungen auf der Erdoberfläche und im Erdinnern verändern aber nicht nur die Rotationsgeschwindigkeit und die Tageslänge der Erde: Wie die Forschenden in «Nature Geoscience» zeigen, verschieben sie auch die Rotationsachse. Das heisst, die Punkte, wo die Drehachse konkret auf die Erdoberfläche trifft, wandern. Diese Polbewegung können die Forschenden beobachten. Längerfristig liegt sie im Bereich von etwa zehn Meter pro hundert Jahre. Dabei spielen nicht nur das Abschmelzen der Eisschilde eine Rolle, sondern auch Bewegungen, die im Innern der Erde stattfinden. So kommt es tief im Erdmantel, in dem das Gestein durch den hohen Druck zähflüssig wird, über längere Zeiträume zu Verlagerungen. Und auch im äusseren Erdkern, der aus flüssigem Metall besteht, gibt es Wärmeströmungen, die einerseits das Erdmagnetfeld erzeugen, aber auch zu Massenverschiebungen führen.

Benedikt Soja und sein Team haben nun in der bisher umfassendsten Modellierung aufgezeigt, wie sich die Polbewegung aus den einzelnen Prozessen im Kern, im Mantel und durch das Klima an der Oberfläche ergeben. Ihre Studie ist jetzt in der Zeitschrift «Nature Geoscience» erschienen: «Wir präsentieren zum ersten Mal eine vollständige Erklärung für die Ursachen der langperiodischen Polbewegung», sagt Mostafa Kiani Shahvandi, Doktorand von Soja und Erstautor der Studie: «Wir wissen also jetzt, warum und wie die Rotationsachse der Erde relativ zur Erdkruste wandert.»

Eine Erkenntnis sticht in ihrer «Nature Geoscience»-Studie besonders heraus: dass die Prozesse auf und in der Erde miteinander verbunden sind und sich gegenseitig beeinflussen. «Der Klimawandel verursacht eine Bewegung der Erdrotationsachse und es scheint, dass sich durch die Rückkopplung der Drehimpulserhaltung auch die Dynamik des Erdkerns verändert,» erklärt Soja und Kiani Shahvandi ergänzt: «Der anhaltende Klimawandel könnte sich also sogar auf Prozesse tief im Erdinneren auswirken und weiter reichen als bisher angenommen.» Allerdings bestehe kaum Grund zur Sorge. Denn diese Auswirkungen seien gering und es sei unwahrscheinlich, dass davon eine Gefahr ausgehe.

Physikalische Gesetze kombiniert mit künstlicher Intelligenz
Für ihre Studie zur Polbewegung verwendeten die Forscher so genannte physikinformierte, neuronalen Netze. Das sind neuartige Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI), bei denen sich die Forschenden an physikalischen Gesetzen und Prinzipien orientieren, um besonders leistungsstarke und zuverlässige Algorithmen für maschinelles Lernen zu entwickeln. Unterstützung erhielt Kiani Shahvandi dafür von ETH-Mathematikprofessor Siddhartha Mishra, den die ETH Zürich 2023 mit dem Rössler-Preis, ihrem höchstdotierten Forschungspreis auszeichnete, und der ein Spezialist auf diesem Gebiet ist.

So konnten mit den von Kiani Shahvandi erstellten Algorithmen erstmals alle verschiedenen Effekte an der Oberfläche, im Erdmantel und im Erdkern erfasst und ihre möglichen Interaktionen modelliert werden. Das Ergebnis der Berechnungen zeigt, welche Bewegungen die Erdrotationspole seit 1900 zurückgelegt haben. Diese Modell-Werte stimmen hervorragend überein mit den realen Daten, die in der Vergangenheit astronomische Beobachtungen und in den letzten dreissig Jahren Satelliten geliefert haben, und ermöglichen so auch Prognosen für die Zukunft.

Wichtig für die Raumfahrt
«Auch wenn sich die Erdrotation nur langsam ändert, muss man diesen Effekt bei der Navigation im Weltraum berücksichtigen, beispielsweise wenn eine Raumsonde auf einem anderen Planeten landen will», sagt Soja. Denn auch eine Abweichung von nur einem Zentimeter auf der Erde kann über die riesigen Distanzen zu einer Abweichung von hunderten von Metern anwachsen. «Die Landung in einem bestimmten Krater auf dem Mars würde dann nicht klappen», sagt der Wissenschaftler.

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Quelle: DLR 1. Juli 2024.

1. Juli 2024 – Wasser ist für die Existenz von Leben auf der Erde eine unerlässliche Voraussetzung. Allerdings ist es keine Selbstverständlichkeit, dass auf unserem Heimatplaneten Wasser vorhanden ist. Doch Millionen von Asteroidenbruchstücken aus weit von der Sonne entfernten Zonen des Sonnensystems dürften eine beträchtliche Menge des Wassers unserer Ozeane auf die Erde gebracht haben. Eine Studie zeigt nun, dass dies nur möglich war, weil sich wasserreiche Urbausteine des Sonnensystems später, langsamer und bei tieferen Temperaturen bildeten. Planetesimale weiter innen im Sonnensystem konnten kein oder kaum Wasser oder Eis enthalten, da sie schneller und bei höheren Temperaturen entstanden. Dass die Erde kein trockener Planet blieb, haben wir also den spät und weit entfernt von der Sonne entstandenen Planetesimalen zu verdanken. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) war an der Studie beteiligt, die nun im Wissenschaftsmagazin Scientific Reports (Nature Portfolio) veröffentlichten wurde.

„Wäre es nicht zu dieser Verzögerung bei der Bildung der Planetesimale gekommen, wäre die Erde heute ein knochentrockener Planet“, sagt Erstautor der Studie Dr. Wladimir Neumann vom DLR-Institut für Planetenforschung und dem Institut für Geodäsie der Technischen Universität Berlin. „Vereinfacht gesagt war für die Zusammensetzung der Planetesimale die Entfernung von der Sonne bei ihrer Entstehung entscheidend, welche Bestandteile in ihnen eingebaut wurden.“ Dabei erfolgte die Formung von Planetesimalen weit draußen in der dünner werdenden Scheibe aus Staub und Gas etwas verzögert und langsamer, als im Inneren Sonnensystem, vor allem aber immer wieder aufs Neue. „Die späten Planetesimale wurden nicht so heiß und verloren deshalb nicht das in ihnen enthaltene Wasser. Später gelangten viele dieser wasserreichen Planetesimale ins innere Sonnensystem und dürften damit der Erde große Mengen an Wasser gebracht haben.“ So könnte auch der äußere Nachbarplanet Mars zu dem Wasser gekommen sein, das er zwar inzwischen fast vollkommen wieder verloren hat, dessen Spuren wir aber heute noch sehen. Auch für die Venus wird diskutiert, dass sie in ihrer Frühzeit einige hundert Millionen Jahre lang Wasser gehabt haben könnte.

Die Urbausteine der Planeten entstanden in nur wenigen Millionen Jahren
Für astronomische Verhältnisse ging in den frühesten Zeiten des Sonnensystems alles sehr schnell. Nach der Explosion zweier oder mehr „ausgebrannter“ Sterne in einem der Spiralarme der Milchstraße, unserer Heimatgalaxie, verdichteten sich die Gase dieser Supernovae-Reste, um einen neuen Stern zu bilden. Vor viereinhalb Milliarden Jahren hatte er so viel Masse angesammelt, dass in seinem Inneren Wasserstoffatome zu Helium verschmelzen konnten und dabei Energie erzeugt wurde: Die Sonne war entstanden. Sie wurde umkreist von einer Milliarden Kilometer weit ins All reichenden Akkretionsscheibe aus Staub und Gas, den Resten dieses Prozesses.

Dort entstanden die Urbausteine der Planeten. Meteorite, Bruchstücke von Mutterkörpern, die sich damals bildeten, legen davon Zeugnis ab. Die meisten Meteorite sind Chondrite, etwa 86 Prozent. Die Chondren, Kügelchen, entstanden innerhalb weniger Millionen Jahre in dieser protoplanetaren Scheibe, indem blitzartig erhitztes und geschmolzenes Material Tropfen formte. Sie erstarrten und ballten sich dann zusammen mit Staub und Gasen, darunter auch Wasser, zu größeren Körpern zusammen, den Planetesimalen. Es waren die Urbausteine der Planeten, aus denen diese in kaum zehn Millionen Jahren entstanden. Vor rund viereinhalb Milliarden Jahren war die Planetenentstehung also schon relativ kurz nach dem „Zünden“ der Sonne vor 4,567 Milliarden Jahren abgeschlossen. Weil aber noch unzählige kleine Körper übrigblieben, waren es sehr unruhige Zeiten im Sonnensystem mit noch viel häufigeren Einschlägen von Asteroiden und Kometen auf den jungen Planeten. Insbesondere Asteroiden aus der äußeren Zone des Hauptgürtels zwischen Mars und Jupiter, die jenseits einer als „Schneegrenze“ bezeichneten Sonnenentfernung entstanden sind, dürften der Erde große Anteile ihres Wassers geliefert haben. Unklar war, wie das Wasser in die Planetesimale kam.

Meteoriten und Asteroiden spiegeln die Frühzeit des Sonnensystems wider
Woher das Wasser auf der Erde stammt, ist seit langem Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen. Ein beträchtlicher Teil dürfte aus dem Erdinneren stammen und von Vulkanen in die Atmosphäre geblasen worden sein und dann als Regen die ersten Ozeane teilweise gefüllt haben. Das dürfte aber nicht die einzige Quelle von Wasser sein. Kam also noch Wasser von außerhalb hinzu?

Bisher wurde angenommen, dass die Akkretionsprozesse näher an der Sonne schneller abliefen, als fern von ihr, nicht zuletzt, weil eine höhere Materialdichte der Scheibe das Wachstum begünstigte. Infrage gestellt wurde diese These durch die Entdeckung von Meteoriten, deren Mutterkörper schon weiter entwickelt waren, die aber in ihrer geochemischen Signatur identische Isotopenverhältnisse haben, wie Meteorite von undifferenzierten Mutterkörpern aus dem äußeren Teil des Sonnensystems (Isotope sind Atome eines chemischen Elements mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen). In der nun veröffentlichten Arbeit wird dafür eine Erklärung gegeben: Im äußeren Teil der protoplanetaren Scheibe existierte eine Region, in der es während ihrer gesamten „Lebenszeit“, also vom Zeitpunkt Null, bis in weniger als vier Millionen Jahren immer wieder zur Entstehung von Planetesimalen kam.

„Wir können das durch die Herleitung der Entstehungszeiten der Mutterkörper der Meteorite zeigen“, so Wladimir Neumann. „Die Herleitung erfolgte durch die Kombination von Modellen der thermischen Entwicklung mit den gemessenen thermo-chronologischen Daten der Meteorite“. Seit gut 20 Jahren versucht die Wissenschaft in ihren Überlegungen zur Akkretion zwei große Probleme zu überwinden. Zum einen haben Modelle und Laboruntersuchungen gezeigt, dass Staubverklumpungen durch Zusammenstöße nicht über eine Größe von einem Meter anwachsen können, was als „ein-Meter-Barriere“ bezeichnet wird. Die Dynamik der Strömungen solcher Staubklumpen in Richtung Scheibeninneres oder Zerschlagung durch Zusammenstöße bei hohen Geschwindigkeiten verhindern ein weiteres Anwachsen. So können also keine Planetesimale entstehen.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich durch Scheibenmodelle, in denen die Existenz von Hochdruckgebieten vorhergesagt wird. Diese müssen wie Fallen für die Staubteilchen wirken und Gebiete darstellen, die groß genug sind, dass sie sich nicht auflösen und dort Materie quasi auf der Stelle zu Planetesimalen kollabiert. Das passierte überall in der Akkretionsscheibe und lief in circa 100.000 Jahren ab. Aber es bedeutete auch, dass die in diesen Teilchenfallen gebildeten Planetesimale wegen des radioaktiven Zerfalls des Aluminiumisotops 26 zu heiß wurden, als dass sie Wasser an sich hätten binden können. Später gebildete Planetesimale hatten signifikant weniger ²⁶Al und konnten deshalb nicht mehr so heiß werden.

Mit mehr Zeit entstandene Asteroidenmutterkörper werden für Wasser nicht zu heiß
Wie also konnten sich dann doch Mutterkörper von Meteoriten bilden, die kalt genug waren, das leichtflüchtige Wassermolekül nicht zu verlieren? Den Schlüssel zur Beantwortung dieser Frage fanden Wladimir Neumann und seine Mitautoren vom Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg, der Universität Bayreuth und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich in der Untersuchung einiger kohlenstoffreicher Meteorite, deren Mutterkörper fern der Sonne entstanden sein mussten.

Darunter befand sich auch der 25 Gramm schwere „Flensburg-Meteorit“, der am 12. September 2019 vom Himmel gefallen war. Er enthält Minerale, die allesamt nur in Verbindung mit Wasser kristallisieren konnten und dessen Mutterkörper 2,7 Millionen Jahre nach der Entstehung der Akkretionsscheibe, also nach dem Zeitpunkt Null entstanden ist. Untersucht wurden auch die Gruppe Tafassite, also Meteorite, die deutlich jünger waren als Funde von Mutterkörpern, die nur besagte hunderttausend Jahre zur Bildung benötigten. Ebenso wurden Meteorite analysiert, deren Mutterkörper ein Alter von 3,7 Millionen Jahren nach Zeitpunkt Null haben.

Diese Untersuchungen lassen den Rückschluss zu, dass die beiden geschilderten Mechanismen gegeneinander gerichtete Effekte hatten – das Einwärtsdriften in der Scheibe, das die Planetesimale nicht entstehen lässt und die Entstehung von Hochdruckgebieten mit Teilchenfallen, in denen die Planetesimale eigentlich früh und schnell entstehen sollten. Und dies sogar in variablen Verhältnissen zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Zonen des äußeren Sonnensystems. So verhindern die Hochdruckgebiete den kompletten Verlust von Material. Aber das trotzdem geschehene teilweise Wegdriften verhinderte, dass das gesamte Material durch Kollaps sehr früh in Planetesimale eingebaut wurde, sich erhitzte und dadurch das Wasser ausgetrieben worden wäre. Dadurch war dann später noch bis zu einer Zeit von etwa vier Millionen Jahren nach Entstehung der planetenbildenden Akkretionsscheibe genug Material vorhanden, um Planetesimale zu bilden, die das Wasser nicht ausgasen würden. Dies dürfte für die „Belieferung“ der Erde mit Wasser, wenn auch erst einige hunderte Millionen Jahre später, gesorgt haben. Ein Glücksfall für die Erde beziehungswiese die daraus hervorgehende Entstehung von Leben.

Publikation:
Recurrent planetesimal formation in an outer part of the early solar system
https://www.nature.com/articles/s41598-024-63768-4
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-024-63768-4.pdf

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Quelle: Universität Wien 14. Juni 2024.

14. Juni 2024 – Ein Forschungsteam unter der Leitung von Philip Walther an der Universität Wien hat in einem bahnbrechenden Experiment die Auswirkungen der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen gemessen. Die Arbeit, die soeben in Science Advances veröffentlicht wurde, stellt einen bedeutenden Erfolg dar, der die Grenzen der Rotationsempfindlichkeit von verschränkungsbasierten Sensoren erweitert und möglicherweise die Grundlage für weitere Forschungen an der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie bildet.

Optische Sagnac-Interferometer sind die empfindlichsten Geräte für Rotationsmessungen. Seit Anfang des vergangenen Jahrhunderts sind sie für das Verständnis der grundlegenden Physik von zentraler Bedeutung. Durch ihre hohe Sensitivität trugen diese experimentellen Werkzeuge schon vor über hundert Jahren etwa zur Begründung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie bei. Heute sind sie aufgrund ihrer unvergleichlichen Präzision das ultimative Instrument zur Messung von Rotationsgeschwindigkeiten, das nur durch die Gesetzmäßigkeiten der klassischen Physik begrenzt wird.

Interferometer, die mit Quantenverschränkung arbeiten, haben das Potenzial, diese Grenzen zu sprengen. Liegt zwischen zwei oder mehreren Quantenteilchen eine Verschränkung vor, so ist nur ihr Gesamtzustand bekannt, während der Zustand der einzelnen Teilchen bis zu einer Messung unbestimmt bleibt. Diese Tatsache kann dazu genutzt werden, um mehr Information pro Messung zu erhalten, als dies ohne Verschränkung möglich wäre. Der versprochene Quantensprung in der Messempfindlichkeit wurde jedoch bisher durch die fragile Natur der Verschränkung behindert. Um diese Hürde zu umgehen, kam beim Experiment der Forschungsgruppe ein sehr stabiler und auf optischen Glasfasern basierender Sagnac-Interferometer mit einer effektiven Fläche von mehr als 700 Quadratmetern zum Einsatz. Auf diese Weise konnten genügend hochwertige verschränkte Photonenpaare beobachtet werden, um die Präzision der Rotationsmessung früherer quantenoptischer Sagnac-Interferometer um das Tausendfache zu übertreffen.

Beim Sagnac-Effekt kommen zwei Teilchen, die sich vom selben Startpunkt in entgegengesetzte Richtungen einer rotierenden, geschlossenen Kurve bewegen, zu unterschiedlichen Zeiten am Ausgangspunkt an. Bei zwei verschränkten Teilchen, wie sie in diesem Experiment verwendet wurden, wird es spukhaft: sie verhalten sich wie ein einziges Teilchen welches beide Richtungen gleichzeitig testet. Da es sich hier um einen sehr kleinen Effekt handelt, mussten die Forscher*innen die Länge ihrer zwei Kilometer langen Glasfasern, welche auf einer riesigen Spule aufgewickelt wurden, auf etwa ein Zehntel eines Nanometers konstant halten. Dies entspricht einer Längenänderung von circa einem Millimeter bei der durchschnittlichen Distanz der Erde zur Sonne.

Um die Auswirkung der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen zweifelsfrei zu messen, brauchten die Forscher*innen aber auch einen Vergleichswert – also das Verhalten der Photonen ohne den Einfluss der Erdrotation. „Wir können die Erdrotation aber natürlich nicht stoppen, einen guten Vergleichswert zu bekommen, war also eine echte Herausforderung. Wir haben die Glasfaser in zwei gleich lange Spulen aufgeteilt und diese über einen optischen Schalter miteinander verbunden“, erklärt der Hauptautor Raffaele Silvestri von der Universität Wien. Durch den Schalter wurde es möglich, die Rotationsrichtung nach Belieben auf der Hälfte des Weges umzukehren, sodass die Teilchen unabhängig vom tatsächlichen Rotationszustand immer zeitgleich am Ausgangspunkt ankommen. „Wir haben dem Licht im Grunde genommen vorgegaukelt, dass es sich in einem nicht rotierenden Universum befindet“, so Silvestri.

Mit dem Experiment, das im Rahmen des von der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften getragenen Forschungsnetzwerks TURIS durchgeführt wurde, konnten die Forscher*innen erfolgreich den Effekt der Erdrotation auf einen maximal verschränkten Zwei-Photonen-Zustand beobachten. Dies bestätigt die Wechselwirkung zwischen rotierenden Bezugssystemen und Quantenverschränkung, wie sie in Einsteins spezieller Relativitätstheorie und der Quantenmechanik beschrieben wird, im Vergleich zu früheren Experimenten mit tausendfacher Präzision. „Das ist ein bedeutender Meilenstein – ein Jahrhundert nach der ersten Beobachtung der Erdrotation mit Licht hat die Verschränkung einzelner Lichtquanten endlich die gleichen Empfindlichkeitsbereiche erreicht“, sagt Haocun Yu, die als Marie-Curie-Postdoktorandin an diesem Experiment gearbeitet hat. „Ich glaube, dass unser Ergebnis und unsere Methodik den Grundstein für weitere Verbesserungen der Rotationsempfindlichkeit von verschränkungsbasierten Sensoren legen werden. Dies könnte den Weg für zukünftige Experimente ebnen, die das Verhalten der Quantenverschränkung durch die Kurven der Raumzeit testen“, fügt Gruppenleiter Philip Walther von der Universität Wien hinzu.

Originalpublikation:
Experimental Observation of Earth’s Rotation with Quantum Entanglement.
R. Silvestri, H. Yu, T. Strömberg, C. Hilweg, R. W. Peterson, P. Walther. Science Advances, 2024.
DOI: 10.1126/sciadv.ado0215
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado0215

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