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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• Klimawandel

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Quelle: ETH Zürich 28. Juni 2024.

28. Juni 2024 – Einem internationalen Team von Forschenden unter gemeinsamer Leitung der ETH Zürich und des Imperial College London ist anhand von seismischen Daten erstmals eine Schätzung der globalen Meteoriteneinschläge auf dem Mars gelungen. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass jedes Jahr zwischen 280 und 360 Meteoriten auf dem Planeten einschlagen und zur Bildung von Kratern mit einem Durchmesser von über 8 Metern führen. Géraldine Zenhäusern von der ETH Zürich, eine der Leiterinnen der Studie, kommentiert: «Die ermittelte Rate ist etwa fünfmal höher als die Zahl der Einschläge, die allein anhand von bildgebenden Verfahren geschätzt wurde. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Seismologie in Kombination mit der Analyse von Weltraumbildern ein hervorragendes Instrument zur Messung der Einschlagsraten ist.»

Seismisches «Pfeifen» als Hinweis auf neue Erdbebenart
Ermöglicht wurde dies durch die Aufzeichnung eines kurzen Pfeifens, das Meteoriten bei ihrem Eintritt in die Marsatmosphäre verursachen. Die Forschenden werteten Daten des Seismometers aus, das von der InSight-Mission der NASA eingesetzt wurde. Sie stellten fest, dass sechs seismische Ereignisse, die in der Nähe der Sonde aufgezeichnet wurden, zuvor als Meteoriteneinschläge identifiziert worden waren (Garcia et al., 2023). Zenhäusern von der ETH Zürich, ihre Co-Leiterin Natalia Wójcicka vom Imperial College London und das Forschungsteam fanden nun heraus, dass diese sechs seismischen Ereignisse Teil einer viel grösseren Gruppe von Marsbeben waren, die als Ereignisse mit sehr hoher Frequenz (very high frequency, VF) bezeichnet werden. Solche Beben entstehen mit viel grösserer Geschwindigkeit als tektonische Marsbeben vergleichbarer Stärke. So braucht es für ein normales Beben der Stärke 3 auf dem Mars mehrere Sekunden, bei einem durch einen Hochgeschwindigkeitseinschlag verursachten Ereignis derselben Stärke jedoch nur 0,2 Sekunden oder weniger. Durch die Analyse der Spektren von Marsbeben wurden weitere 80 Beben identifiziert, als deren Ursache nun Einschläge von Meteoroiden angenommen werden.

Seismischen Daten leiten erstmals Einschlagsrate von Meteoriten her
Jedes Jahr fallen rund 17 000 Meteoriten auf die Erde. Solange ihr Schweif nicht am Nachthimmel zu sehen ist, werden sie nur selten bemerkt. Die meisten Meteore zerfallen, wenn sie in die Erdatmosphäre eintreten. Auf dem Mars ist die Atmosphäre jedoch hundertmal dünner. Dadurch ist die Oberfläche des Planeten grösseren und häufigeren Meteoriteneinschlägen ausgesetzt.

Bisher verliessen sich Planetenforschende auf Weltraumbilder und Modelle, die aus gut erhaltenen, durch Meteoriteneinschläge verursachten Kratern auf dem Mond abgeleitet wurden. Diese Schätzungen konnten aber nicht ohne Weiteres auf den Mars übertragen werden. So müssen Forschende die stärkere Anziehungskraft des Mars und die Nähe des Roten Planeten zum Asteroidengürtel berücksichtigen. Beide Faktoren führen dazu, dass mehr Meteoriten auf dem Mars einschlagen. Aufgrund regelmässiger Sandstürme sind die Krater auf dem Planeten zudem weniger gut erhalten als auf dem Mond und können daher durch Weltraumbilder nicht so leicht entdeckt werden. Beim Einschlag eines Meteoriten auf dem Mars breiten sich die durch die Kollision verursachten seismischen Wellen durch die Kruste und den Mantel aus und können von Seismometern aufgezeichnet werden. Dadurch bietet sich eine vollkommen neue Möglichkeit, die Einschlagsrate auf dem Mars zu messen.

Wójcicka erklärt: «Wir haben die Durchmesser der Krater anhand der Stärke und Entfernung der Hochfrequenz-Marsbeben geschätzt. Anhand dieser Schätzungen haben wir dann berechnet, wie viele Krater sich im Laufe eines Jahres um die InSight-Sonde gebildet hatten. Diese Daten haben wir extrapoliert, um die Anzahl der jährlichen Einschläge auf der gesamten Marsoberfläche zu schätzen.»

Zenhäusern fügt hinzu: «Neue Krater sind auf flachem, staubigem Gelände am besten zu sehen, denn dort fallen sie besonders auf. Allerdings ist diese Art von Gelände nur auf weniger als der Hälfte der Marsoberfläche zu finden. Das empfindliche Seismometer der InSight-Mission konnte jedoch jeden einzelnen Einschlag innerhalb der Reichweite der Sonde aufzeichnen.»

Erkenntnisse über das Alter des Roten Planeten und zukünftige Mars-Missionen
Ähnlich wie Linien und Falten in einem Gesicht geben Grösse und Dichte der durch Meteoriteneinschläge entstandenen Krater Aufschluss über das Alter verschiedener Regionen eines Planeten. Das heisst: Je weniger Krater, desto jünger ist die betreffende Region. So weist Venus zum Beispiel fast keine sichtbaren Krater auf, weil der Planet durch eine dicke Atmosphäre geschützt ist und seine Oberfläche durch Vulkanismus laufend neu gebildet wird. Die uralten Oberflächen des Planeten Merkur und des Mondes sind hingegen von Kratern übersät. Der Planet Mars liegt irgendwo dazwischen, denn dort gibt es einige junge und einige alte Regionen, die sich anhand der Zahl der Krater unterscheiden lassen.

Aus den neuen Daten geht hervor, dass auf der Oberfläche des Mars fast jeden Tag ein neuer Krater von 8 Metern Durchmesser entsteht, ein Krater mit 30 Metern Durchmesser etwa einmal im Monat. Da durch Hochgeschwindigkeitseinschläge Explosionszonen entstehen, deren Durchmesser oft mindestens hundertmal so gross ist wie der Krater, ist es für die Sicherheit von Missionen – jetzt noch mit Robotern, künftig auch mit Menschen – wichtig, die genaue Zahl der Einschläge zu kennen.

«Diese Arbeit ermittelt als erste ihrer Art anhand von seismologischen Daten, wie häufig Meteoriten auf der Oberfläche des Mars einschlagen, was eines der Ziele der ersten Stufe der Mars-Mission InSight war», kommentiert Domenico Giardini, Professor für Seismologie und Geodynamik an der ETH Zürich und Co-Principal Investigator der InSight-Mission der Nasa . «Diese Daten werden in die Planung zukünftiger Missionen zum Mars einfliessen.»

Um diese Forschungen voranzutreiben, ist nach Auskunft von Zenhäusern und Wójcicka geplant, bei den nächsten Schritten Technologien des maschinellen Lernens einzusetzen. Sie sollen die Forschenden dabei unterstützen, weitere Krater auf Satellitenbildern sowie seismische Ereignisse in den Daten zu identifizieren.

Originalpublikation:
Zenhäusern, G, Wójcicka, N, Stähler, SC, Collins, GS, Daubar, IJ, Knapmeyer, M, Ceylan, S, Clinton, JF, Giardini, D: An estimate of the impact rate on Mars from statistics of very-high-frequency marsquakes. Nature Astronomy, 2024, doi.org/10.1038/s41550-024-02301-z
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02301-z
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02301-z.pdf

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• InSight auf Atlas V 401

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Quelle: ETH Zürich 29. Februar 2024.

29. Februar 2024 – Bevor es Leben auf der Erde gab, brauchte es die Chemie, welche aus den chemischen Elementen Stickstoff, Schwefel, Kohlenstoff und Phosphor organische Moleküle bildete. Damit die entsprechenden chemischen Reaktionen starten und aufrechterhalten bleiben konnten, brauchte es diese Elemente im Überfluss – und einen ständigen Nachschub. Auf der Erde selbst waren und sind diese jedoch Mangelware.

Tatsächlich waren die elementaren Bausteine des Lebens so selten, dass chemische Reaktionen sich schnell erschöpft hätten, wenn sie denn überhaupt in Gang gekommen wären. Auch geologische Prozesse wie Erosion und Verwitterung des irdischen Ausgangsgesteins konnten nicht für ausreichenden Nachschub sorgen, da die Erdkruste schlicht zu wenig dieser Elemente enthielt. Dennoch entwickelte sich in den ersten 500 Millionen Jahren der Erdgeschichte eine präbiotische Chemie, die organische Moleküle wie die RNA, DNA, Fettsäuren oder Proteine hervorbrachte, auf denen alles Leben beruht.

Zutaten aus dem All?
Woher kamen Schwefel, Phosphor, Stick-​ und Kohlenstoff in der benötigten Menge? Der ETH-Forscher Craig Walton ist davon überzeugt, dass diese Elemente vor allem durch kosmischen Staub auf die Erde gelangt sind.

Dieser Staub entsteht im Weltraum, zum Beispiel, wenn Asteroiden miteinander kollidieren. Auch heute noch fallen rund 30’000 Tonnen Staub aus dem All auf die Erde. In der Frühzeit der Erde dagegen war der Staubregen mit jährlichen Millionen Tonnen viel grösser. Vor allem aber enthalten die Staubteilchen viel Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor. Sie hätten also das Potenzial dazu, eine chemische Kaskade in Gang zu setzen.

Dagegen spricht jedoch, dass der Staub weit verstreut niedergeht und lokal in sehr kleinen Mengen vorhanden ist. «Wenn man aber Transportprozesse einbezieht, sieht die Sache anders aus», sagt Walton. Wind, Regen oder Flüsse sammeln den kosmischen Staub grossräumig ein und lagern ihn konzentriert an bestimmten Orten ab.

Neues Modell soll Frage klären
Um herauszufinden, ob kosmischer Staub eine mögliche Starthilfe und Quelle für präbiotische Chemie(-reaktionen) sein könnte, hat Walton zusammen mit Kollegen der Universität Cambridge (UK) ein Modell entwickelt.

Damit simulierten die Forschenden, wie viel kosmischer Staub in den ersten 500 Millionen Jahren der Erdgeschichte auf die Erde niederging und an welchen Orten er sich auf der Erdoberfläche angesammelt haben könnte. Die Studie wurde jetzt in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Das Modell entstand in Zusammenarbeit mit Sedimentationsexpert:innen und Astrophysiker:innen der Universität Cambridge. Die britischen Forscher:innen sind auf die Simulation von Planeten-​ und Asteroidensystemen spezialisiert.

Die Simulationen zeigen, dass es auf der frühen Erde Orte mit einer extrem hohen Konzentration an kosmischem Staub gegeben haben könnte. Und dass ständig Nachschub aus dem All kam. Allerdings nahm der Staubregen nach der Entstehung der Erde schnell und stark ab: Nach 500 Millionen Jahren war der Staubfluss um eine Grössenordnung kleiner als im Jahr Null. Gelegentliche Ausschläge nach oben führen die Forschenden auf Asteroiden zurück, die auseinanderbrachen und einen Staubschweif zur Erde schickten.

Schmelzlöcher auf Eisschilden als Staubfänger
Die meisten Wissenschaftler:innen, aber auch Laien gehen davon aus, dass die Erde Millionen von Jahren von einem Magmaozean bedeckt war, was Transport und Ablagerung von kosmischem Staub für lange Zeit verhindert hätte. «Neuere Forschung hat jedoch Hinweise darauf gefunden, dass sich die Erdoberfläche sehr rasch abgekühlt und verfestigt hat und sich grosse Eisschilde gebildet haben», sagt Walton.

Diese Eisschilde könnten den Simulationen zufolge die beste Umgebung für die Ansammlung von kosmischem Staub gewesen sein. In sogenannten Kryokonit-​Löchern – Schmelzlöchern auf der Gletscheroberfläche – sammelten sich nicht nur Sedimente, sondern auch die Staubkörner aus dem All.

Aus den Staubpartikeln lösten sich mit der Zeit die entsprechenden Elemente heraus. Sobald deren Konzentration im Gletscherwasser einen kritischen Schwellenwert erreichte, setzten von selbst chemische Reaktionen ein, die zur Bildung der organischen Moleküle am Ursprung des Lebens führten.

Dass auch bei eisigen Temperaturen, wie sie in den Schmelzlöchern herrschen, chemische Prozesse in Gang kommen, ist durchaus möglich: «Kälte schadet der organischen Chemie nicht, im Gegenteil. Reaktionen laufen bei niedrigen Temperaturen selektiver und spezifischer ab als bei hohen», sagt Walton. Andere Forscher haben im Labor gezeigt, dass sich in solchen Schmelzwasser-​Ursuppen bei Temperaturen um den Gefrierpunkt spontan einfache ringförmige Ribonukleinsäuren (RNA) bilden, die sich selbst vervielfältigen. Ein Schwachpunkt in der Argumentation könnte sein, dass sich bei tiefen Temperaturen, die zum Aufbau der organischen Moleküle benötigten Elemente nur sehr langsam aus den Staubteilchen lösen.

Debatte über den Ursprung des Lebens anstossen
Die Theorie, die der Nomis-​Fellow vertritt, ist in der Wissenschaft nicht unumstritten. «Diese Studie wird sicherlich eine kontroverse wissenschaftliche Debatte auslösen», ist Walton überzeugt. «Und sie wird neue Ideen über den Ursprung des Lebens hervorbringen.»

Schon im 18. und 19. Jahrhundert waren Wissenschaftler davon überzeugt, dass Meteoriten die «Elemente des Lebens», wie Walton sie nennt, auf die Erde gebracht haben. Denn schon damals fanden Forscher in Gesteinsbrocken aus dem All diese Elemente des Lebens in grossen Mengen, nicht aber in den Grundgesteinen der Erde. «Seither hat sich aber kaum jemand mit der Idee auseinandergesetzt, dass eine präbiotische Chemie vor allem durch den Eintrag von Meteoriten in Gang gekommen ist», sagt der Geologe.

«Die Meteoriten-​Idee klingt interessant, hat aber einen Haken», erklärt Walton. Ein einzelner Meteorit liefere diese Stoffe nur in einem begrenzten Umfeld, und wo er aufschlage, sei zufällig und der weitere Nachschub sei nicht gewährleistet. «Ich halte es für unwahrscheinlich, dass der Ursprung des Lebens von ein paar weit und zufällig verstreuten Gesteinsbrocken abhängt», sagt er. «Angereicherter kosmischer Staub hingegen halte ich für eine plausible Quelle.»

In einem nächsten Schritt will er seine Theorie experimentell überprüfen. Im Labor wird er in grossen Reaktionsgefässen die Bedingungen nachstellen, die in den urzeitlichen Schmelzlöchern geherrscht haben könnten. Er wird dabei die Anfangsbedingungen so einstellen, wie sie vor vier Milliarden Jahren in einem Kryokonit-Loch vermutlich vorkamen – und dann abwarten, ob sich chemische Reaktionen entwickeln, die biologisch relevante Moleküle hervorbringen.

Originalpublikation:
Walton CR, Rigley JK, Lipp A et al. Cosmic dust fertilization of glacial prebiotic chemistry on early Earth. Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-​024-02212-z
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02212-z
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02212-z.pdf

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• Planet Erde

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Quelle: ETH Zürich 27. Februar 2024.

27. Februar 2024 – Auf der Erde ist Leben möglich. Das zeigt eine Untersuchung des Instituts für Teilchenphysik und Astrophysik der ETH Zürich. Dabei ging es den Forschenden natürlich nicht um die Beantwortung der Frage an sich. Vielmehr nahmen sie die Erde als Beispiel, um nachzuweisen, dass die geplante Weltraummission LIFE (Large Interferometer for Exoplanets) ein Erfolg werden kann – und dass das vorgesehene Messverfahren funktioniert.

Auf der Suche nach Leben
Mit einem Verbund von fünf Satelliten soll die internationale Initiative LIFE unter der Führung der ETH Zürich dereinst Spuren von Leben auf Exoplaneten nachweisen. Dazu sollen erdähnliche Exoplaneten genauer untersucht werden – Gesteinsplaneten also, die eine ähnliche Grösse und Temperatur wie die Erde haben, aber andere Sterne umkreisen.

Der Plan ist, dort im Weltraum, wo das James-​Webb-Teleskop stationiert ist, fünf kleinere Satelliten zu positionieren. Diese bilden gemeinsam ein grosses Teleskop, das als Interferometer die Wärmestrahlung von Exoplaneten im Infrarotbereich auffangen wird. Aus dem Spektrum des Lichts lässt sich dann ableiten, wie die untersuchten Exoplaneten und ihre Atmosphäre zusammengesetzt sind. «Im Lichtspektrum sollen chemische Verbindungen nachgewiesen werden, die auf Leben auf den Exoplaneten hinweisen», erklärt Sascha Quanz, der die LIFE-​Initiative leitet.

Die Erde als unscheinbarer Fleck
In der Studie, die soeben in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlichte wurde, untersuchten die Forschenden Jean-​Noël Mettler, Björn S. Konrad, Sascha P. Quanz und Ravit Helled nun, wie gut eine LIFE-​Mission einen Exoplaneten im Hinblick auf seine Bewohnbarkeit charakterisieren könnte. Dazu betrachteten sie die Erde als Exoplaneten und gaben Beobachtungen auf unseren Heimatplaneten vor.

Einzigartig an der Untersuchung ist, dass das Team die Fähigkeit der künftigen LIFE-​Mission an realen statt an simulierten Spektren getestet hat. Sie nutzten dazu Daten eines Erdatmosphärenmessgeräts des NASA-​Forschungssatelliten Aqua. Mit diesen Daten erzeugten sie Emissionsspektren der Erde im mittleren Infrarotbereich, wie sie bei künftigen Beobachtungen von Exoplaneten erfasst werden könnten.

Zwei Überlegungen standen dabei im Mittelpunkt. Erstens: Wenn ein grosses Weltraumteleskop aus dem All die Erde beobachten würde, welche Art von Infrarotspektrum würde es aufnehmen? Weil die Erde aus grosser Entfernung beobachtet würde, sähe sie aus wie ein unscheinbarer Fleck – ohne erkennbare Merkmale wie Meer oder Berge –, ein einzelner Pixel auf einem digitalen Bild. Das heisst, die Spektren wären dann räumliche und zeitliche Mittelwerte, die davon abhängen, welche Ansichten des Planeten das Teleskop einfangen würde und für wie lange.

Perspektive und Jahreszeiten berücksichtigen
Daraus leiteten die Physikerinnen und Physiker in ihrer Studie die zweite Überlegung ab: Wenn diese gemittelten Spektren analysiert würden, um Informationen über die Atmosphäre und die Oberflächenbedingungen der Erde zu erhalten, wie würden die Ergebnisse von Faktoren wie der Beobachtungsgeometrie und den jahreszeitlichen Schwankungen abhängen?

Die Forschenden berücksichtigten dazu drei Beobachtungsgeometrien – die beiden Ansichten von den Polen und zusätzlich eine äquatoriale Ansicht – und konzentrierten sich auf Daten, die in den Monaten Januar und Juli aufgenommen wurden, um die grössten saisonalen Veränderungen zu berücksichtigen.

Erfolgreich als bewohnbaren Planeten identifiziert
Das wichtigste Ergebnis der Studie ist ermutigend: Wenn ein Weltraumteleskop wie LIFE den Planeten Erde aus rund 30 Lichtjahren Entfernung beobachten würde, würde es Hinweise auf eine gemässigte, bewohnbare Welt finden. So konnte das Team in den Infrarotspektren der Erdatmosphäre Konzentrationen der atmosphärischen Gase CO₂, Wasser, Ozon und Methan nachweisen sowie Oberflächenbedingungen, die das Vorkommen von Wasser begünstigen. Der Nachweis von Ozon und Methan ist besonders wichtig, da diese Gase von der Biosphäre der Erde produziert werden.

Diese Ergebnisse sind unabhängig von der Beobachtungsgeometrie, wie die Forschenden zeigten. Das ist eine gute Nachricht, da die genaue Beobachtungsgeometrie bei zukünftigen Beobachtungen von erdähnlichen Exoplaneten wahrscheinlich unbekannt sein wird.

Beim Vergleich von saisonalen Schwankungen war das Ergebnis hingegen weniger aufschlussreich. «Auch wenn die atmosphärische Saisonalität nicht leicht zu beobachten ist, zeigt unsere Studie, dass Weltraummissionen der nächsten Generation beurteilen können, ob nahe gelegene gemässigte erdähnliche Exoplaneten bewohnbar oder sogar bewohnt sind», sagt Sascha Quanz.

Originalpublikation:
Mettler J-N, Konrad BS, Quanz SP, Helled R: Earth as an Exoplanet. III. Using Empirical Thermal Emission Spectra as an Input for Atmospheric Retrieval of an Earth-​Twin Exoplanet. The Astrophysical Journal, 26. Februar 2024. DOI: 10.3847/1538-​4357/ad198b
arXiv: https://arxiv.org/abs/2310.02634
pdf: https://arxiv.org/pdf/2310.02634

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• Weltraumteleskop LIFE (Large Interferometer for Exoplanets)

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Quelle: ETH Zürich 14. Dezember 2023.

14. Dezember 2023 – Wie viel Schnee liegt wo in den Bergen? Diese Frage ist für den Wintertourismus und Betreiber von Wasserkraftwerken gleichermassen relevant wie für Wintersportler:innen, die die Lawinengefahr einschätzen wollen. Doch die Messung der Schneehöhe ist mit einigen Herausforderungen verbunden: Sie kann sich je nach Wetterlage schnell ändern, hängt stark vom Gelände ab und ist auf Luftbildern nicht direkt erkennbar.

Die Schneeüberwachung in der Schweiz stützt sich heute vor allem auf die Daten von Messstationen. Da es für die ganze Schweiz nur rund 400 Stationen gibt, sind die Schneeangaben für viele Orte eher ungenau. Das könnte sich nun ändern: ETH-​Forschende um Konrad Schindler, ETH-​Professor für Photogrammetrie und Fernerkundung, haben zusammen mit der Schweizer Firma ExoLabs, einem Spin-​off der Universität Zürich, eine Technologie entwickelt, die mit Hilfe von Satellitenbildern und künstlicher Intelligenz die Schneehöhe schneller und genauer als bisher ermittelt.

«Während die besten bestehenden Schneekarten der Schweiz eine effektive Auflösung von etwa 250 mal 250 Meter haben, kann man in unsere Karten bis auf 10 mal 10 Meter hineinzoomen, um die Schneehöhe abzulesen», sagt Schindler. Zudem sind regelmässige Aktualisierungen zur Schneehöhe in Zukunft nicht mehr unbedingt auf neue Messdaten am Boden angewiesen. Öffentlich zugängliche Satellitenbilder reichen bei gutem Wetter aus.

Satellitendaten der Europäischen Weltraumorganisation
Schindlers Forschungsgruppe hat viel Erfahrung mit Satellitenbildern: Sie nutzt sie, um die Bevölkerungsdichte in Krisengebieten vorherzusagen, um Kriegsschäden an Gebäuden in der Ukraine zu ermitteln oder um weltweit die Höhe von Wäldern zu vermessen. Doch wie liest eine künstliche Intelligenz die Schneehöhe von Satellitenbildern ab?

Sie braucht dafür zunächst Millionen von Beispielen: Für ihre Technologie verwendeten die Forschenden optische Aufnahmen und Infrarotbilder von Sentinel-​2-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Diese Satelliten nehmen alle fünf Tage jeden Ort der Erde mit einer Auflösung von bis zu 10 mal 10 Metern pro Pixel auf. Das sind die detailliertesten Bilder, die derzeit kostenlos und unbeschränkt zugänglich sind. Dadurch erkennt die KI, wann in der Schweiz wo Schnee liegt und wie sich die Schneegrenze wöchentlich verändert.

Doch das allein reicht nicht: «Von den weissen Flächen in den Satellitenbildern können wir nicht direkt auf die Schneehöhe schliessen. Dafür braucht es noch weitere Daten», sagt ETH-​Professor Schindler.

Lernen durch Vergleich mit Realität
Neben den Satellitenbildern fütterten die Forschenden der KI daher umfassende Geländedaten der Schweiz. Denn an einem steilen Südhang schmilzt bei Sonnenschein mehr Schnee als in einer schattigen Mulde. Detaillierte Geländedaten dieser Art sind in den öffentlichen Daten von Swisstopo sehr gut zugänglich.

Die Forschenden trainierten das KI-​System darauf, die Schneehöhe aus Satelliten-​ und Geländedaten abzuleiten. Dazu liessen sie das System die Schneehöhen schätzen und verglichen die Ergebnisse mit realen Schneemessungen. «Wir haben an jedem Rasterpunkt festgestellt, wie weit die KI mit ihrer Schätzung daneben lag, und das System schrittweise so angepasst, dass die Fehler kleiner wurden», erklärt Schindler. In der Fachsprache heisst diese Methode supervised learning.

In einer ersten Trainingsrunde verwendeten die ETH-​Forschenden die Schneekarten von ExoLabs, die sehr gut mit den Daten der Schneemessstationen in der Schweiz übereinstimmen. Diese Karten basieren neben den Satellitenbildern von Sentinel-​2 auch auf Bildern anderer Satellitenmissionen, die zwar räumlich weniger genau sind, dafür aber tägliche Aufnahmen liefern. Anhand der Schneekarten von ExoLabs prägte sich die KI vor allem die Muster der kleinräumigen Schneeverteilung ein, die über das eher grobmaschige Netz an Messstationen nicht erfasst werden kann.

Finetuning mit Daten aus dem Dischmatal
Das Finetuning der KI erfolgte dann mit sehr detaillierten Schneedaten, die das WSL-​Institut für Schnee-​und Lawinenforschung SLF lediglich im Bündner Dischmatal erhebt. Durch diese Daten lernte die KI, dass sich die Schneehöhe je nach Gelände innerhalb von wenigen Metern ändern kann. Diese räumlichen Zusammenhänge kann sie dann in der ganzen Schweiz anwenden und auch dort die Schneehöhe genau vorhersagen, wo keine detaillierten Messdaten durch Messtationen vorliegen.

Ein weiterer Vorteil der neuen Technologie ist, dass sie den Nutzer:innen auch die Unsicherheit der Schätzung mitliefert. Wenn es zum Beispiel länger bewölkt ist und neue Satellitenbilder keine brauchbaren Informationen liefern, steigt die Unsicherheit der Schätzung.

Neuer Standard für die Schneehöhenmessung
Die ETH-​Forschenden haben die KI-​gestützte Schneemessung bereits während zweier Wintersaisonen erfolgreich getestet. «Wir gehen davon aus, dass wir damit einen neuen Standard für die Schneehöhenmessung in der Schweiz setzen», sagt Schindler.

Um die Vermarktung der Technologie kümmert sich die Schweizer Firma ExoLabs. Das Start-​up bietet hochaufgelöste Schneekarten in verschiedenen Apps an, unter anderem in den Anwendungen von Outdooractive, Strava, Skitourenguru, Hüttenbuch oder über die swisstopo-​App. Geht es nach Reik Leiterer, CEO von ExoLabs, sollen die verbesserten Schneekarten in Zukunft auch für Gebiete ausserhalb der Alpen erhältlich sein, zum Beispiel in Skandinavien, den Pyrenäen, oder für Nord-​ und Südamerika.

Literaturhinweis
Daudt R, Wulf H, Hafner E, Bühler Y, Schindler K, Wegner J: Snow depth estimation at country-​scale with high spatial and temporal resolution, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 197 (2023) 105–121
doi: 10.1016/j.isprsjprs.2023.01.017
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271623000230

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• Planet Erde

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Quelle: ETH Zürich 20. Juni 2023.

20. Juni 2023 – Das Rückgrat des Internets – den sogenannten Backbone – bildet ein dichtes Netzwerk aus Glasfaserkabeln, die jeweils bis zu mehr als hundert Terabit an Daten pro Sekunde (1 Terabit = 10¹² digitale 1/0-​Signale) zwischen den Netzknoten transportieren. Die Kontinente sind dabei durch die Tiefsee verbunden – und das ist enorm kostspielig: Ein einzelnes Kabel durch den Atlantik erfordert Investitionen von mehreren hundert Millionen Dollar. Das spezialisierte Beratungsunternehmen Telegeography zählt aktuell 530 aktive Unterseekabel. Tendenz steigend.

Schon bald dürfte dieser Aufwand aber nicht mehr nötig sein. Wissenschaftler der ETH Zürich haben in einem europäischen Horizon-​2020-Projekt gemeinsam mit Partnern aus der Raumfahrtindustrie eine optische Terabit-​Datenübertragung durch die Luft demonstriert. Mit dieser werden künftig wesentlich kostengünstigere und auch viel schneller erstellbare Backbone-​Verbindungen über erdnahe Satelliten-​Konstellationen möglich.

Anspruchsvolle Verhältnisse zwischen Jungfraujoch und Bern
Erprobt haben die Projektpartner ihr Laser-​System allerdings nicht mit einem Satelliten im Orbit, sondern durch eine Übertragung über 53 Kilometer vom Jungfraujoch nach Bern. «Unsere Versuchsstrecke zwischen der Hochalpinen Forschungsstation auf dem Jungfraujoch und dem Zimmerwald Observatorium der Universität Bern ist aus Sicht einer optischen Datenübertragung wesentlich anspruchsvoller als zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation», erklärt Yannik Horst, der leitende Autor der Studie und Forscher an der ETH Zürich im Institute für elektromagnetische Felder unter Leitung von Professor Jürg Leuthold.

Der Laserstrahl musste sich auf dem ganzen Weg durch die dichte, bodennahe Atmosphäre bewegen. Dabei beeinflussten die vielfältigen Turbulenzen der Luftgase über dem verschneiten Hochgebirge, der Wasserfläche des Thunersee, der dicht bebauten Agglomeration Thun und der Aare-​Ebene die Bewegung der Lichtwellen und damit auch die Informationsübertragung. Wie stark dieses durch Thermikphänomene ausgelöste Flimmern der Luft die gleichmässige Bewegung von Licht stört, kann man an heissen Sommertagen von blossem Auge erkennen.

Satelliten-​Internet nutzt langsamen Mikrowellenfunk
Internetverbindungen über Satelliten sind an sich nichts Neues. Der aktuell bekannteste Vertreter ist die Starlink-​Konstellation von Elon Musk, die mit über 2000 erdnah kreisenden Satelliten Internet in fast jeden Winkel der Welt bringt. Um Daten zwischen Satelliten und Bodenstationen zu übertragen werden allerdings Funktechnologien verwendet, die wesentlich weniger leistungsfähig sind. Sie funktionieren wie WLAN (Wireless Local Area Network) oder der Mobilfunk im Mikrowellenbereich des Frequenzspektrums und damit mit Wellenlägen von einigen Zentimetern.

Optische Lasersysteme arbeiten demgegenüber im Bereich des nahen Infrarotlichts mit rund 10’000-​mal kürzeren Wellenlängen von wenigen Mikrometern. Dadurch können sie auch entsprechend mehr Informationen pro Zeiteinheit transportieren.

Um auf grosse Entfernungen beim Empfänger ein genügend starkes Signal zu erhalten, werden die parallelisierten Lichtwellen des Lasers durch ein Teleskop gesendet, das mehrere Dutzend Zentimeter Durchmesser haben kann. Dieser breite Lichtstrahl muss dann möglichst genau auf ein Teleskop beim Empfänger gezielt werden, dessen Durchmesser in der Grössenordnung des empfangenen Lichtstrahls liegt.

Turbulenzen löschen die modulierten Signale aus
Damit möglichst hohe Datenraten erreicht werden, wird die Lichtwelle des Lasers zudem so moduliert, dass ein Empfänger pro Schwingung mehrere unterscheidbare Zustände detektieren kann. Dadurch lässt sich pro Schwingung jeweils mehr als ein Informations-​Bit übertragen. In der Praxis wird mit unterschiedlichen Höhen (Amplituden) und Verschiebungen des Phasenwinkels der Lichtwelle gearbeitet. Jede Kombination von Phasenwinkel und Amplitudenhöhe definiert dann ein unterschiedliches Informationssymbol. Mit einem 4×4-​Schema lassen sich so 4 Bit pro Schwingung übertragen und mit einem 8×8-​Schema 6 Bit.

Die wechselnden Turbulenzen der Luftteilchen führen nun dazu, dass die Lichtwellen im Inneren und an den Rändern des Lichtkegels unterschiedlich schnell wandern. Im Detektor der Empfangsstation addieren oder subtrahieren sich dadurch die Amplituden und Phasenwinkel gegenseitig zu falschen Werten.

Spiegelchen korrigieren Wellenphase 1500-​mal pro Sekunde
Um diese Fehler zu verhindern, lieferte der französische Projektpartner einen sogenannten MEMS-​Chip (Mikro-​Elektro-Mechanisches System) mit einer Matrix aus 97 beweglichen Spiegelchen. Durch die Spiegelbewegungen lässt sich die Phasenverschiebung des Strahls auf seiner Schnittfläche entlang dem aktuell gemessenen Gradienten 1500-​mal pro Sekunde korrigieren.

Unter dem Strich resultiert so eine Verbesserung der Signale um rund einen Faktor 500. Diese Verbesserung war essenziell, um eine Bandbreite von 1 Terabit pro Sekunde über eine Distanz von 53 Kilometern erreichen zu können, wie Horst betont.

Erstmals zum Einsatz kamen im Projekt zudem neue, robuste Lichtmodulationsformate. Sie erhöhen die Empfindlichkeit der Detektion massiv und ermöglichen dadurch selbst unter schlechtesten Wetterbedingungen oder bei geringen Laserleistungen hohe Datenraten. Erreicht wird dies durch ein geschicktes Codieren der Informations-​Bits auf Eigenschaften der Lichtwelle wie Amplitude, Phase und Polarisation. «Mit unserem neuen 4D-​BPSK-Modulationsformat (Binary Phase-​Shift Keying) kann ein Informations-​Bit auch mit einer sehr kleinen Anzahl von nur rund vier Lichtteilchen am Empfänger noch richtig erkannt werden», erklärt Horst.

Insgesamt waren für den Erfolg des Projekts die spezifischen Kompetenzen von drei Partnern notwendig. Das französische Raumfahrtunternehmen Thales Alenia Space beherrscht das zentimetergenaue Zielen mit Lasern über Tausende von Kilometern im Weltraum. Die ebenfalls französische Luft-​ und Raumfahrtforschungsanstalt Onera verfügt über die Kompetenzen in MEMS-​basierter adaptiver Optik, mit der die Effekte des Luftflimmern weitgehend eliminiert wurden. Und die für eine hohe Datenrate unerlässliche, möglichst effektive Modulation der Signale, gehört zu den Spezialgebieten der Forschungsgruppe von Leuthold.

Problemlos auf 40 Terabit pro Sekunde ausbaubar
Die im Rahmen der European Conference on Optical Communication (ECOC) in Basel erstmals präsentierten Resultate des Versuchs sorgen weltweit für Furore, so Leuthold: «Unser System bedeutet einen Durchbruch. Bisher gelang es nur, entweder grosse Distanzen mit kleinen Bandbreiten von wenigen Gigabit oder kurze Distanzen von wenigen Metern mit grossen Bandbreiten per Freilandlaser zu verbinden».

Dazu kommt, dass die Leistung von 1 Terabit pro Sekunde mit einer einzigen Wellenlänge erreicht wurde. In einer zukünftigen praktischen Anwendung lässt sich das System mit Standardtechnologien problemlos auf 40 Kanäle und damit auf 40 Terabit pro Sekunde hochskalieren.

Zusätzliches Potenzial für das neue Modulationsformat
Damit werden sich Leuthold und sein Team aber nicht mehr beschäftigen. Die praktische Umsetzung in ein marktfähiges Produkt übernehmen die Industriepartner. Einen Teil der Arbeit werden die ETH-​Wissenschaftler:innen allerdings weiterverfolgen. Das von ihnen entwickelte neue Modulationsformat dürfte künftig auch in anderen Datenübertragungsverfahren, bei denen die Energie der Strahlung zu einem begrenzenden Faktor werden kann, für eine Erhöhung der Bandbreiten sorgen.

Originalpublikation:
Yannik Horst, Bertold Ian Bitachon, Laurenz Kulmer, Jannik Brun, Tobias Blatter, Jean-​Marc Conan, Aurélie Montmerle-​Bonnefois, Joseph Montri, Béatrice Sorrente, Caroline B. Lim, Nicolas Védrenne, Daniel Matter, Loann Pommarel, Benedikt Baeuerle and Juerg Leuthold. Tbit/s line-​rate satellite feeder links enabled by coherent modulation and full-​adaptive optics. Science & Applications (2023) 12,
doi.org/10.1038/s41377-023-01201-7, https://www.nature.com/articles/s41377-023-01201-7,
pdf: https://www.nature.com/articles/s41377-023-01201-7.pdf.

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• Kommunikation per Laser

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Quelle: FZI, 20. April 2023.

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) und das Europäische Innovationszentrum für Weltraumressourcen (ESRIC) haben die Gewinner ihres jüngsten internationalen Robotikwettbewerbs, der ESA-ESRIC Space Resources Challenge, bekannt gegeben. Ziel des Wettbewerbs war es, innovative Ansätze und Lösungen für die Suche und Gewinnung von Ressourcen auf dem Mond zu finden. Gewinner des Wettbewerbs ist das vom FZI angeführte Konsortium ARISE – ein Zusammenschluss von Robotik-, Geologie- und Weltraum-Expert*innen des FZI Forschungszentrum Informatik aus Karlsruhe, der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich, Universität Zürich, Universität Basel sowie der Universität Bern. Als Sieger erhält das Konsortium 500.000 € für die weitere Forschung und die Aussicht, Teil einer echten ESA-ESRIC-Mond-Mission zu werden. Die Siegerbekanntgabe fand am 19.04.2023 in Luxemburg im Rahmen der Space Resources Week statt. „Wir sind unglaublich stolz auf unsere talentierten Wissenschaftler*innen. All die Zeit und Mühe, die sie in diese Herausforderung gesteckt haben, wird nun mit diesem tollen Preis belohnt“, zeigt sich FZI-Vorstand Jan Wiesenberger erfreut.

Innovative Lösungen für die Erforschung des Weltraums
Die ESA-ESRIC Space Resources Challenge ist ein Wettbewerb, bei dem innovative Lösungen für die Erkundung von Ressourcen auf der Mondoberfläche gesucht werden. Der mehrstufige Wettbewerb beinhaltete verschiedene, zum Teil unbekannte Herausforderungen, die mittels mobiler Roboter aus der Ferne, wie später auch auf dem Mond, gelöst werden müssen.

Besonders herausfordernd war die zeitverzögerte und teilweise instabile Kommunikationsverbindung zwischen Mission Control und den Robotern: eine simulierte Einschränkung, wie sie auch bei der Überbrückung der knapp 384.000 Kilometer zwischen Erde und Mond bestehen würde. Ansonsten gab es keinen Sichtkontakt oder Zugriff auf die Robotersysteme.

Die Teams hatten die Aufgabe, eine zuvor unbekannte Mondlandschaft autonom zu explorieren, zu kartographieren und in ihr mit mobilen Robotern zu navigieren. Die Roboter sollten dabei potentielle Ressourcen lokalisieren und genauer untersuchen.

Ursprünglich nahmen 12 Teams an dem Wettbewerb teil
Zu Beginn traten zwölf Teams bei der ersten Phase des Wettbewerbs im Rahmen eines Feldtests in einer mondähnlichen Umgebung in den Niederlanden gegeneinander an. Anhand der dort gezeigten Fähigkeiten wurden fünf Teams ausgewählt, um im Finale erneut anzutreten: das FZI Forschungszentrum Informatik, die ETH Zürich mit der Universität Zürich, Lukasiewicz – PIAP, Mission Control Space Services und die Space Application Services, ein Forschungsverbund der Université Du Luxembourg, Dynamic Imaging Analytics, dem La Palma Research Centre, der Université de Lorraine sowie der Open University.

Im Finale stellte sich das FZI den Herausforderungen mit einem Team aus drei mobilen Robotern: den beiden Laufrobotern Spot und ANYmal sowie dem vierrädrigen Roboter Husky mit instrumentiertem Roboterarm. Das Alleinstellungsmerkmal war die vom FZI entwickelte Software, die es dem Dreiergespann ermöglichte, die Aufgaben größtenteils autonom und kooperativ im Team durchzuführen. Die drei Roboter haben sich dabei selbst die Aufgaben je nach Fähigkeiten geschickt aufgeteilt. Die zwei Laufroboter haben schnell das gesamte Gelände exploriert und interessante Ziele für die detaillierte Ressourcen-Analyse für Husky erstellt. Husky konnte dann mittels mitgeführter Geräte Röntgenfluoreszenzanalysen sowie detaillierte Nahaufnahmen durchführen. „Mein persönliches Highlight war, dass ich mir während unseres Wettbewerbsdurchlaufs viel Zeit für Fragen der Jury nehmen konnte, weil unsere Roboter wie geplant keine Eingaben von uns brauchten, sondern autonom agieren konnten.“ so Tristan Schnell, Projektleiter des FZI Teams.

In einem letzten Schritt in Richtung Weltraum mussten die Teilnehmer*innen nach dem Feldtest ein Proposal zur weiteren Steigerung der Weltraumtauglichkeit bei der ESA einreichen. Auf Basis des Feldtests und des Proposals wurde das vom FZI angeführte Konsortium als Sieger gekürt. „Ich freue mich, dass wir zusammen mit den Robotik-Kolleg*innen von der ETH Zürich sowie den weiteren schweizerischen Partnern ein spannendes Konzept entwickeln konnten, bei dem ein Team aus autonomen Laufrobotern die zentrale Rolle spielt. Noch mehr freue ich mich, dass wir jetzt die Chance bekommen, gemeinsam daran zu arbeiten, diese Technologien ein Stück näher zum Mond zu bringen!“ so der Abteilungsleiter Dr.-Ing. Arne Rönnau.

Videomaterial zum Wettbewerbsbeitrag des FZI

Über das FZI
Das FZI Forschungszentrum Informatik mit Hauptsitz in Karlsruhe und Außenstelle in Berlin ist eine gemeinnützige Einrichtung für Informatik-Anwendungsforschung und Technologietransfer. Es bringt die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse der Informationstechnologie in Unternehmen und öffentliche Einrichtungen und qualifiziert für eine akademische und wirtschaftliche Karriere oder den Sprung in die Selbstständigkeit. Betreut von Professoren verschiedener Fakultäten entwickeln die Forschungsgruppen am FZI interdisziplinär für ihre Auftraggeber Konzepte, Software-, Hardware- und Systemlösungen und setzen die gefundenen Lösungen prototypisch um. Mit dem FZI House of Living Labs steht eine einzigartige Forschungsumgebung für die Anwendungsforschung bereit. Das FZI ist Innovationspartner des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Weitere Downloads & Links:
Zum Statement der ESA zum Sieg
Zur ESA-ESRIC Space Resources Challenge Website

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• Neue Mond-Rover Konzepte

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Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) 27. Oktober 2022.

27. Oktober 2022 – Seit 2018, als im Rahmen der InSight Mission der NASA das Seismometer SEIS auf der Marsoberfläche installiert wurde, haben Seismologen und Geophysiker der ETH Zürich seismische Wellen von mehr als 1300 Marsbeben registriert. Immer wieder haben die Forschenden kleinere und größere Beben feststellen können. Nun förderte eine detaillierte Analyse des Orts und der spektralen Eigenschaften dieser Marsbeben Überraschendes zutage: Die Beben geben nämlich Hinweise darauf, dass die Marsoberfläche noch immer von vulkanischen Aktivitäten geprägt wird.

Anzeichen neuerer Aktivitäten auf dem Mars
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der ETH Zürich hat mehr als 20 neuere Marsbeben analysiert, die ihren Ursprung in den Cerberus Fossae hatten – das ist eine aus verschiedenen Gräben und Brüchen bestehende Region auf dem Mars. Aus den seismischen Daten schlossen die Forschenden, dass die niedrigfrequenten Beben auf eine potenziell warme Quelle hindeuten. Diese würde sich erklären lassen durch in neuerer Zeit und in dieser Tiefe geschmolzene Lava, das heißt Magma unter der Marsoberfläche, sowie vulkanische Aktivitäten auf dem Mars. Insbesondere stellten die Forschenden fest, dass die Beben größtenteils im innersten Teil des Grabensystems der Cerberus Fossae stattfanden.

Als sie seismische Daten mit Aufnahmen des entsprechenden Bereichs verglichen, entdeckten die Forschenden zudem nicht nur in der Hauptwindrichtung, sondern in verschiedene Richtungen um die Cerberus Fossae herum dunklere Ascheablagerungen. «Der dunklere Farbton dieser Asche weist neuere vulkanische Aktivität nach, die vielleicht innerhalb der letzten 50’000 Jahre aufgetreten ist. Das ist geologisch gesehen relativ jung», erklärt Simon Stähler, der Erstautor eines soeben in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikels. Stähler ist leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter der von Professor Domenico Giardini geleiteten Gruppe Seismologie und Geodynamik am Institut für Geophysik der ETH Zürich.

Wozu Untersuchungen auf unserem Nachbarplaneten?
Die Nachbarplaneten der Erde zu untersuchen, ist keine einfache Aufgabe. Der Mars ist der einzige Planet neben der Erde, auf dem Forschende bodengestützte Rover, Lander und jetzt sogar Drohnen stationiert haben, welche Daten übertragen. Für die Erkundung aller anderen Planeten ist man bisher auf Bilder aus dem Weltraum angewiesen. «SEIS ist das empfindlichste je auf einem anderen Planeten installierte Seismometer», sagt Domenico Giardini. «Es bietet Geophysikern und Seismologen die Möglichkeit, mit aktuellen Daten zu arbeiten, die aufzeigen, was gerade auf dem Mars passiert, und zwar sowohl auf der Oberfläche als auch im Inneren.» Zusammen mit Aufnahmen aus der Umlaufbahn bieten die seismischen Daten verlässliche wissenschaftliche Hinweise.

Als einer unserer unmittelbaren Nachbarplaneten ist der Mars auch wichtig für das Verständnis ähnlicher geologischer Prozesse auf der Erde. Der Rote Planet ist der einzige uns bekannte Planet, dessen Kern aus Eisen, Nickel und Schwefel besteht, die möglicherweise einst Teil eines Magnetfelds waren. Topografische Erkenntnisse deuten zudem darauf hin, dass der Mars früher über große Wassermengen und eine potenziell dichtere Atmosphäre verfügte. Noch heute gibt es gefrorenes Wasser an den Polkappen des Planeten, wenn auch wahrscheinlich größtenteils als Trockeneis. «Auch wenn es noch viel zu entdecken gibt, ist der Nachweis eines möglichen Magmavorkommens auf dem Mars spannend», so Anna Mittelholz, die als Postdoc an der ETH Zürich und der Harvard University tätig ist.

Letzte Reste geophysischen Lebens
Schaut man sich Bilder der trockenen, staubigen Weiten der Marslandschaft an, ist schwer vorstellbar, dass der Mars vor etwa 3,6 Milliarden Jahren lebendig war – zumindest aus geophysischer Sicht. Jedenfalls spie er ausreichend lange Vulkanschutt aus, um die Tharsis-Berge, das größte Vulkansystem unseres Sonnensystems, und den Olympus Mons zu bilden, einen Vulkan, der fast dreimal so hoch ist wie der höchste Berg der Erde, der Mount Everest.

Dass sich der Bebenherd in den nahen Cerberus Fossae – benannt nach dem Höllenhund aus der griechischen Mythologie – befand, deutet darauf hin, dass der Mars noch nicht ganz tot ist. Hier kommt es zum Absinken in der Vulkanregion und zur Bildung paralleler Gräben (oder Brüche), wodurch die Kruste des Planeten ähnlich wie die eines Kuchens im Backofen aufreißt. Laut Stähler ist es möglich, dass das, was wir dort sehen, der Rest einer ehemals aktiven Vulkanregion ist oder dass das Magma sich gerade weiter nach Osten hin zum nächsten Ausbruchherd bewegt.

An der Studie waren Forschende der ETH Zürich, der Harvard University, der Universität Nantes, des CNRS Paris, des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) in Berlin sowie des Caltech beteiligt.

Originalpublikation:
Stähler SC, Mittelholz A, Perrin C, Kawamura T, Kim D, Knapmeyer M, Zenhäusern G, Clinton J, Giardini D, Longnonné, P, Banerdt WB: Tectonics of Cerberus Fossae unveiled by marsquakes. Nature Astronomy, 2022, DOI:10.1038/s41550-022-01803-y, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01803-y, https://arxiv.org/abs/2206.15136, pdf: https://arxiv.org/pdf/2206.15136.

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• InSight auf Atlas V 401
• Planet Mars

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Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) 27. Oktober 2022.

27. Oktober 2022 – Der Marsbebendienst an der ETH Zürich analysiert die Messungen, die das Seismometer der InSight-Mission auf unserem Nachbarplaneten durchführt. Fast drei Jahre lang wurden nur Bebenwellen entdeckt, die sich vom jeweiligen Bebenherd durch den tiefen Mars hindurch ausbreiteten. Die Forschenden hofften jedoch auf ein Ereignis, das auch Wellen erzeugt, die entlang der Planetenoberfläche reisen. Am 24. Dezember 2021 war es soweit: Ein Meteoriteneinschlag auf dem Mars bescherte ihnen die ersehnten Oberflächenwellen.

Die Forscher und Forscherinnen hatten aufgrund der untypischen Charakteristiken des aufgezeichneten Bebens eine Quelle nahe der Oberfläche vermutet. Sie kontaktierten daraufhin Kollegen, die mit einer Sonde in der Marsumlaufbahn arbeiteten. Tatsächlich zeigten Aufnahmen des Mars Reconnaissance Orbiter an den Weihnachtstagen 2021 einen großen Einschlagkrater in rund 3500 Kilometer Entfernung zu InSight.

«Der Ort stimmte gut mit unseren Schätzungen für die Quelle des Bebens überein», sagt Doyeon Kim, Oberassistent am ETH-Institut für Geophysik und Erstautor der Studie, die jetzt in der Zeitschrift Science erschienen ist. Auch bei einem zweiten, untypischen Beben konnten die Forschenden als Quelle einen Meteoriteneinschlag in knapp 7500 Kilometer Distanz zu InSight ausmachen.

Weil der Herd der beiden Beben an der Oberfläche lag, wurden nicht nur Raumwellen erzeugt, wie bei den bisher aufgezeichneten Marsbeben, deren Herd in grösserer Tiefe lag, sondern auch Wellen, die sich entlang der Planetenoberfläche ausbreiteten. «Es ist das erste Mal, dass jemand auf einem anderen Planeten als der Erde seismische Oberflächenwellen beobachtet hat. Selbst auf dem Mond während der Apollo-Missionen war dies nicht möglich», sagt Kim.

Die Oberflächenwellen sind für die Forschenden deshalb so wichtig, weil sie Informationen über die Struktur der Marskruste liefern. Die Raumwellen, die bei den Beben durch das Innere des Planeten reisen, ermöglichten bisher zwar Erkenntnisse über den Marskern und den Mantel, sagten aber wenig aus über die Kruste.

Überraschendes Resultat
«Bislang beruhte unser Wissen über die Marskruste auf nur einer Punktmessung unter dem InSight-Lander», erklärt Kim. Das Resultat der Analyse der Oberflächenwellen überraschte den Geophysiker: Die Marskruste zwischen den Einschlagsorten und dem Seismometer von InSight hat im Durchschnitt eine sehr einheitliche Struktur und eine hohe Dichte. Direkt unter der Sonde hingegen hatten die Forschenden zuvor drei Schichten der Kruste nachgewiesen und eine geringere Dichte gemessen.

Die neuen Erkenntnisse sind darum so interessant, weil die Kruste eines Planeten wichtige Hinweise auf die Entstehung und Entwicklung des Himmelskörpers gibt. Sie ist das Ergebnis von frühen dynamischen Vorgängen im Mantel und den nachfolgenden magmatischen Prozessen. Deshalb kann sie Aufschluss geben über die Bedingungen vor Milliarden von Jahren und die Geschichte der Einschläge, die in der Frühzeit des Planeten Mars besonders häufig waren.

Wie die neue Messung funktionierte, erklärt der Forscher folgendermaßen: «Die Geschwindigkeit, mit der sich die Oberflächenwellen ausbreiten, hängt von deren Frequenz ab und diese wiederum von der Tiefe.» Misst man über verschiedene Frequenzen hinweg, wie sich die Geschwindigkeit in den seismischen Daten verändert, so kann man daraus schließen, wie sich die Geschwindigkeit in unterschiedlichen Tiefen verändert, denn die verschiedenen Frequenzen sind für unterschiedliche Tiefen empfindlich. Daraus wiederum lässt sich die durchschnittliche Dichte des Gesteins abschätzen, weil die seismische Geschwindigkeit auch von den elastischen Eigenschaften des Materials abhängt, durch das die Wellen sich fortbewegen. So konnten die Forschenden die Struktur der Kruste in einer Tiefe von rund 5 bis 30 Kilometer unter der Marsoberfläche bestimmen.

Erklärung für größere Wellengeschwindigkeit
Doch warum ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der jetzt beobachteten Oberflächenwellen beträchtlich höher als man aufgrund der früheren Punktmessung unter der Marssonde InSight erwarten würde? Liegt das hauptsächlich am Oberflächengestein oder an anderen Mechanismen? Generell weist vulkanisches Gestein in der Regel höhere seismische Geschwindigkeiten auf. Und die Wege zwischen den beiden Meteoriteneinschlägen und dem Messort führen durch eine der größten vulkanischen Regionen auf der nördlichen Hemisphäre des Mars.

Verschiedene Mechanismen wie die Bildung von Oberflächenlava oder die Schließung von Porenräumen durch Erhitzung im Zusammenhang mit vulkanischen Prozessen können die Geschwindigkeit der seismischen Wellen erhöhen. «Andererseits könnte die Krustenstruktur unter dem Landeplatz von InSight auf eine einzigartige Art entstanden sein, beispielsweise als bei einem großen Asteroideneinschlag vor über drei Milliarden Jahren Material ausgeworfen wurde. Dann ist die Krustenstruktur unter der Sonde wahrscheinlich nicht repräsentativ für die allgemeine Krustenstruktur auf dem Mars», erklärt Kim.

Das Rätsel der Mars-Dichotomie lösen
Die neuen Untersuchungen könnten zudem helfen, ein Jahrhunderte altes Rätsel zu lösen. Seit die ersten Teleskope auf den Mars gerichtet wurden, weiß man, dass ein scharfer Kontrast zwischen Süd- und Nordhalbkugel existiert. Während die südliche Hemisphäre von einem von Meteoritenkratern bedeckten Hochplateau geprägt ist, besteht der nördliche Teil größtenteils aus flachen, vulkanischen Tiefebenen, die in der Frühgeschichte des Planeten von Ozeanen bedeckt gewesen sein könnten. Diese Aufteilung in südliches Hochland und nördliches Tiefland wird Mars-Dichotomie genannt.

«Bisher gibt es keine akzeptierte Erklärung für die Dichotomie, weil wir ihre tiefe Struktur nie sehen konnten», sagt Domenico Giardini, ETH-Professor für Seismologie und Geodynamik: «Nun beginnen wir, diese Struktur aufzudecken.» Erste Resultate widerlegen offenbar eine der bisher gängigen Theorien für die Mars-Dichotomie: Die Krusten im Norden und Süden bestehen vermutlich nicht aus unterschiedlichen Materialien wie bisher oft angenommen, und ihre Struktur könnte in relevanten Tiefen überraschend ähnlich sein.

Langes Warten auf die Welle
Schon bald erwarten die ETH-Forschenden weitere Ergebnisse. Denn im Mai 2022 beobachtete InSight das bisher größte Marsbeben mit einer Magnitude 5 – ein Ereignis, bei dem ebenfalls Oberflächenwellen aufgezeichnet wurden. Es geschah gerade noch rechtzeitig, bevor die InSight-Mission zu Ende geht, weil der Sonde allmählich der Strom ausgeht. Eine erste Analyse der Daten bestätigt die Erkenntnisse, welche die Forschenden aus den beiden Meteoriteneinschlägen gewonnen haben. «Es ist verrückt: Wir haben so lange auf diese Wellen gewartet und nun hatten wir nur Monate nach den Meteoriteneinschlägen dieses große Beben, das äußerst reichhaltige Oberflächenwellen erzeugt hat. Diese erlauben es uns, noch tiefer in die Kruste vorzudringen: bis in etwa 90 Kilometer Tiefe.»

Originalpublikation:
Kim D et al.: Surface Waves and Crustal Structure on Mars. Science 27. Oktober 2022, doi: 10.1126/science.abq7157, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7157.

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• InSight auf Atlas V 401
• Planet Mars

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Quelle: Universität Bern 22. September 2022.

22. September 2022 – Die Qualität bodengebundener astronomischer Beobachtungen hängt entscheidend von der Klarheit der Atmosphäre über dem Ort ab, von dem aus sie gemacht werden. Die Standorte für Teleskope werden daher sehr sorgfältig ausgewählt. Sie werden oft hoch über dem Meeresspiegel gebaut, so dass weniger Atmosphäre zwischen ihnen und ihren Zielen steht. Viele Teleskope werden auch in Wüsten gebaut, da Wolken und sogar Wasserdampf eine klare Sicht auf den Nachthimmel behindern.

Ein Team von Forschenden unter der Leitung der Universität Bern und des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS zeigt in einer Studie, die in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde und die auf dem Europlanet Science Congress 2022 in Granada vorgestellt wurde, wie eine der größten Herausforderungen unserer Zeit – der menschgemachte Klimawandel – nun selbst unseren Blick in den Kosmos beeinträchtigt.

Ein blinder Fleck im Auswahlverfahren
«Obwohl Teleskope in der Regel eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten haben, werden bei der Standortwahl die atmosphärischen Bedingungen nur für einen kurzen Zeitraum berücksichtigt. In der Regel sind das die letzten fünf Jahre – zu kurz, um langfristige Trends zu erfassen, geschweige denn zukünftige Veränderungen durch die globale Erwärmung abzubilden», sagt Caroline Haslebacher, Hauptautorin der Studie und Forscherin am Nationalen Forschungsschwerpunkt NFS PlanetS an der Universität Bern. Das Forschungsteam, zusammengesetzt aus Forschenden der Universität Bern und des NFS PlanetS, der ETH Zürich, der Europäischen Südsternwarte ESO sowie der University of Reading in Großbritannien, hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, diese langfristige Perspektive aufzuzeigen.

Verschlechterung der Bedingungen rund um den Globus
Ihre Analyse künftiger Klimatrends, die auf hochauflösenden globalen Klimamodellen basieren, zeigt, dass bedeutende astronomische Observatorien von Hawaii bis zu den Kanarischen Inseln, Chile, Mexiko, Südafrika und Australien bis 2050 wahrscheinlich einen Anstieg der Temperatur und des atmosphärischen Wassergehalts erleben werden. Dies wiederum könnte zu einem Verlust an Beobachtungszeit und einem Qualitätsverlust der durchgeführten Beobachtungen führen.

«Heutzutage sind astronomische Observatorien auf die aktuellen Standortbedingungen ausgelegt und haben nur wenige Möglichkeiten zur Anpassung. Mögliche Folgen der klimatischen Bedingungen für die Teleskope sind daher etwa ein erhöhtes Kondensationsrisiko durch einen erhöhten Taupunkt oder schlecht funktionierende Kühlsysteme, die dann zu mehr Luftturbulenzen in der Teleskopkuppel führen können», sagt Haslebacher.

Dass die Auswirkungen des Klimawandels auf Observatorien bisher nicht berücksichtigt wurden, war kein Versehen, wie Studienmitautorin Marie-Estelle Demory sagt, sondern lag nicht zuletzt am Stand der Technik: «Es ist das erste Mal, dass eine solche Studie überhaupt möglich war. Dank der höheren Auflösung der globalen Klimamodelle, die im Rahmen des Horizon 2020-Projekts PRIMAVERA entwickelt wurden, konnten wir die Bedingungen an verschiedenen Orten des Globus sehr genau untersuchen – etwas, das wir mit herkömmlichen Modellen nicht tun konnten. Diese Modelle sind wertvolle Werkzeuge für unsere Arbeit an der Wyss Academy», so die leitende Forscherin an der Universität Bern und Mitglied der Wyss Academy for Nature.

«Das erlaubt es uns nun mit Sicherheit zu sagen, dass bei der Standortwahl für Teleskope der nächsten Generation, beim Bau und bei der Wartung von astronomischen Einrichtungen der anthropogene Klimawandel berücksichtigt werden muss», sagt Haslebacher.

Wyss Academy for Nature
Die Wyss Academy for Nature an der Universität Bern ist ein Ort der Innovation, an dem Forschung, Wirtschaft, Politik und Gemeinschaften zusammenkommen, um gemeinsam Lösungen für eine nachhaltige Zukunft zu entwerfen. Die Mission der Wyss Academy ist es, wissenschaftliche Erkenntnisse in die Tat umzusetzen. Sie kombiniert ehrgeizige, innovative Ziele mit einem transformativen Ansatz und wurde gegründet, um innovative, langfristige Wege zu entwickeln, die die Erhaltung der biologischen Vielfalt, das menschliche Wohlergehen und die nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen in einer Vielzahl von Landschaften auf der ganzen Welt stärken und miteinander in Einklang bringen. Die Wyss Academy for Nature betreibt derzeit Hubs in Zentraleuropa (Bern, Schweiz), Südostasien, Ostafrika (Kenia) und Südamerika (Peru).
Im Dezember 2019 haben die Wyss Foundation, die Universität Bern und der Kanton Bern den tripartiten Rahmenvertrag zur Wyss Academy for Nature an der Universität Bern unterzeichnet. Im Mai 2020 wurde darauf gestützt die Wyss Academy als unabhängige Stiftung gegründet, der Stiftungsrat eingesetzt und der Direktor gewählt. Die Wyss Foundation stiftet im Rahmen der Wyss Campaign for Nature einen Beitrag von 100 Millionen Franken. Kanton und Universität Bern tragen je 50 Millionen Franken bei.
Weitere Informationen: www.wyssacademy.org.

Center for Space and Habitability (CSH)
Die Aufgabe des Center for Space and Habitability (CSH) ist es, den Dialog und die Interaktion zwischen den verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen zu fördern, die sich für die Entstehung, Entdeckung und Charakterisierung anderer Welten innerhalb und außerhalb des Sonnensystems, die Suche nach Leben anderswo im Universum und deren Auswirkungen auf Disziplinen außerhalb der Naturwissenschaften interessieren. Zu den Mitgliedern, Affiliates und Mitarbeitenden gehören Expertinnen und Experten aus der Astronomie, Astrophysik und Astrochemie, Atmosphären-, Klima- und Planetenforschung, Geologie und Geophysik, Biochemie und Philosophie. Das CSH beherbergt die CSH und Bernoulli Fellowships, ein Programm für junge, dynamische und talentierte Forschende aus der ganzen Welt, um unabhängige Forschung zu betreiben. Es führt aktiv eine Reihe von Programmen durch, um die interdisziplinäre Forschung innerhalb der Universität Bern zu stimulieren, einschließlich der Zusammenarbeit und des offenen Dialogs mit Medizin, Philosophie und Theologie.
Weitere Informationen: https://www.csh.unibe.ch/.

Europlanet Science Congress (EPSC)
Der Europlanet Science Congress, ehemals European Planetary Science Congress, ist die Jahrestagung der Europlanet Society. Mit einer 16-jährigen Erfolgsgeschichte und regelmäßig rund 1’000 Teilnehmenden ist der EPSC die größte Tagung der Planetenwissenschaften in Europa. Er deckt das gesamte Spektrum der Planetenwissenschaften mit einer umfangreichen Mischung aus Vorträgen, Workshops und Postersitzungen ab und bietet einen einzigartigen Raum für die Vernetzung und den Austausch von Erfahrungen.
Weitere Informationen: https://www.epsc2022.eu/.

Europlanet
Seit 2005 bietet Europlanet der europäischen Gemeinschaft der Planetenwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern eine Plattform für den Austausch von Ideen und Personal, die gemeinsame Nutzung von Forschungsinstrumenten, Daten und Einrichtungen, die Festlegung wichtiger wissenschaftlicher Ziele für die Zukunft und die Einbeziehung von Interessengruppen, politischen Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträgern und europäischen Bürgerinnen und Bürgern in die Planetenwissenschaft.
Die Europlanet 2024 Forschungsinfrastruktur (RI) wurde von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 871149 finanziert, um Zugang zu hochmodernen Forschungseinrichtungen und einen Mechanismus zur Koordinierung der europäischen Gemeinschaft der Planetenwissenschaftler zu bieten.
Die Europlanet-Gesellschaft fördert die Weiterentwicklung der europäischen Planetenforschung und verwandter Gebiete zum Nutzen der Gemeinschaft und ist offen für Einzelmitglieder und Organisationen. Die Europlanet-Gesellschaft ist die Mutterorganisation des Europlanet Science Congress (EPSC).
Weitere Informationen: www.europlanet.org.

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• Klimawandel

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Quelle: ETH Zürich; 10. August 2022.

10.08.2022 von Marianne Lucien. Der Mond fasziniert Menschen seit jeher. Doch erst zur Zeit von Galileo Galilei begannen Wissenschaftler, ihn richtig zu untersuchen. Im Laufe von Jahrhunderten stellten Forschende verschiedene Theorien über die Entstehung des Mondes auf.

Nun fügen Geochemiker*innen und Petrolog*innen der ETH Zürich der Entstehungsgeschichte des Mondes ein weiteres Puzzleteil hinzu. In einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift «Science Advances» veröffentlicht wurde, zeigt das Forscherteam, dass der Mond die Edelgase Helium und Neon aus dem Erdmantel geerbt hat.

Die neuen Erkenntnisse beeinflussen die derzeit favorisierte «Giant Impact»-​Theorie, mit der Wissenschaftler die Mondentstehung erklären. Diese Theorie geht davon aus, dass der Mond durch eine massive Kollision zwischen der frühen Erde und einem anderen Himmelskörper entstanden ist. «Unsere Entdeckung bedeutet, dass in der Giant-​Impact-Theorie auch die Edelgase als Faktor einzubeziehen sind», sagt Henner Busemann, Professor am Institut für Geochemie und Petrologie der ETH Zürich.

«Aufregende Entdeckung»
Für diese Studie hat Busemanns Doktorandin Patrizia Will sechs Proben von Mondmeteoriten analysiert. Die Meteoriten wurden von der Nasa in der Antarktis gesammelt und der Forscherin für ihre Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Will bestimmte in diesen Meteoritenproben unter anderem den Gehalt der Edelgase Neon und Helium. Diese waren in einer viel größeren Menge vorhanden als erwartet und nur im separierten Glas, was den Sonnenwind als Quelle für die Edelgase ausschloss. Sie mussten also aus dem Innern des Mondes kommen und damit letzten Endes von der Erde vererbt sein. «Dass wir zum ersten Mal Edelgase in basaltischen Materialien vom Mond gefunden haben, die nicht aus dem Sonnenwind stammen können, ist eine aufregende Entdeckung», freut sich Will.

Aufgrund ihrer neuen Erkenntnisse stellen sich die Forschenden den Vorgang so vor: Der junge Mond war vulkanisch aktiv. Magma quoll empor, und erstarrte rasch an der Oberfläche. Durch die rasche Abkühlung bildeten sich Glaspartikel, in welchen die mitgeführten Edelgase Neon und Helium konserviert wurden. Rasch deckten weitere Lavaströme diese Magmaschicht zu und schirmten sie vor kosmischer Strahlung ab, insbesondere vor Sonnenwinden. Dies verhinderte, dass sich chemische Elemente, die im Sonnenwind enthalten sind, in den Glaspartikeln einlagern und deren chemischen Fingerabdruck, die sogenannte Isotopensignatur, verändern konnten.

Per Meteorit zur Erde
Aber wie gelangte das magmatische Mondmaterial mit den Edelgasen auf die Erde? Da der Mond nicht durch eine Atmosphäre geschützt ist, schlagen ständig Asteroiden auf seiner Oberfläche ein. Ein solcher Einschlag war wahrscheinlich stark genug, um Bruchstücke aus den abgeschirmten Lavaschichten des Mondes herauszuschleudern. Diese Gesteinsfragmente gelangten als Meteoriten zur Erde. Viele werden in den Wüsten Nordwestafrikas oder, wie in diesem Fall, in der Antarktis gefunden.

Ihre Untersuchungen haben die Forschenden im Edelgaslabor der ETH Zürich durchgeführt. Dort steht ein hochmodernes Edelgas-​Massenspektrometer namens «Tom Dooley». Seinen Namen erhielt das hochempfindliche Gerät in Anlehnung an einen amerikanischen Folksong, weil es an der Decke des Labors aufgehängt werden musste, um Störungen durch Vibrationen zu vermeiden. Mit dem Tom-​Dooley-Instrument konnte das Forscherteam Glaspartikel von weniger als einem Millimeter Größe aus den Meteoriten messen. «Tom Dooley» ist so empfindlich, dass es als weltweit einziges Instrument in der Lage ist, so geringe Konzentrationen von Helium und Neon nachzuweisen. Es wurde auch dafür eingesetzt, um diese Edelgase in Körnern des Murchison-​Meteoriten nachzuweisen. Die Körner sind rund sieben Milliarden Jahre alt.

Auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens
Zu wissen, wo man in der Nasa-​Sammlung von rund 70’000 Meteoriten suchen muss, ist bei einem solchen Projekt entscheidend. «Ich bin fest davon überzeugt, dass es einen Wettlauf um die Untersuchung schwerer Edelgase und Isotope in diesem Meteoritenmaterial geben wird», sagt ETH-​Professor Henner Busemann, einer der weltweit führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der extraterrestrischen Edelgasgeochemie. Er rechnet damit, dass Forscher*innen bald auch in den Mondmeteoriten nach Edelgasen wie Xenon und Krypton sowie nach weiteren flüchtigen Elementen wie Wasserstoff oder Halogenen suchen werden.

«Obwohl Edelgase für das Leben nicht notwendig sind, wäre es interessant zu wissen, wie sie die brutale und gewaltsame Entstehung des Mondes überlebt haben. Dieses Wissen könnte Wissenschaftler*innen in der Geochemie und Geophysik helfen, neue Modelle zu entwickeln, die allgemeiner zeigen, wie solche höchst flüchtigen Elemente die Entstehung von Planeten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus überleben können», sagt Busemann.

Literaturhinweis
Will P, Busemann H, Riebe M, Maden C. Indigenous noble gases in the Moon’s interior, Science Advances, 10 August 2022. DOI: externe Seite10.1126/sciadv.abl4920call_made

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• Mond

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Quelle: ETH Zürich 12. Juli 2022.

12. Juli 2022 – Die Gravitationskonstante G bestimmt die Stärke der Schwerkraft. Diese sorgt dafür, dass Äpfel zu Boden fallen, oder dass die Erde um die Sonne kreist. Isaac Newton hat vor über 300 Jahren das Gravitationsgesetz formuliert, in dem diese Naturkonstante vorkommt. Sie lässt sich nicht mathematisch herleiten, sondern nur experimentell ermitteln.

Obwohl Wissenschaftler*innen im Lauf der Zeit zahlreiche Experimente durchgeführt haben, um den Wert der Gravitationskonstante zu bestimmen, befriedigt der derzeit gültige Wert die Fachwelt nicht. Er ist noch immer ungenauer als der Wert jeder anderen fundamentalen Naturkonstante, zu denen etwa die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gehört.

Dass die Schwerkraft nur äußerst schwer zu fassen ist, hat damit zu tun, dass sie nur sehr schwach ist und sich auch nicht abschirmen lässt: Misst man die Schwerkraft zwischen zwei Körpern, misst man auch die Wirkung aller anderen Körper der Welt mit.

«Die einzige Möglichkeit diese Situation aufzulösen, besteht darin, die Gravitationskonstante mit möglichst vielen verschiedenen Methoden zu ermitteln», erklärt Jürg Dual, Professor am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich. Er und seine Mitarbeitenden stellen nun in der Fachzeitschrift «Nature Physics» ein neues Experiment vor, mit dem sie die Gravitationskonstante erneut bestimmt haben.

Neuartiges Experiment in alter Festung
Um Störquellen möglichst auszuschließen, baute Duals Team die Messeinrichtung in der ehemaligen Festung Furggels bei Pfäfers ob Bad Ragaz (Schweiz) auf. Der Versuchsaufbau besteht aus zwei in Vakuumkammern aufgehängten Balken. Den einen versetzen die Forschenden in Vibration. Durch die Gravitationskopplung begann auch der zweite Stab minimal (im Pikometerbereich – also ein Billionstel Meter) zu vibrieren. Die ETH-​Forschenden maßen schließlich mit Lasermessgeräten die Bewegung der beiden vibrierenden Balken und die Messung dieses dynamischen Effekts erlaubte Rückschlüsse auf die Größe der Gravitationskonstante.

Der Wert, den die Forschenden auf diese Weise ermittelten, liegt um 2,2 Prozent höher als die derzeit offizielle Größe, welche das Committee on Data for Science and Technology angibt. Allerdings ist der neue Wert mit einer großen Unsicherheit behaftet, räumt Dual ein: «Für einen zuverlässigen Wert muss diese Unsicherheit noch deutlich reduziert werden. Wir sind bereits daran, Messungen mit einem leicht veränderten Versuchsaufbau durchzuführen, um die Konstante G noch genauer bestimmen zu können. Erste Resultate sind verfügbar, aber noch nicht publiziert. «Wir sind auf dem richtigen Weg», bestätigt Dual.

Das Experiment läuft ferngesteuert von Zürich aus. Das reduziert Störungen durch Personal, das vor Ort anwesend ist, auf ein Minimum. Die Forschenden können die Messdaten jederzeit in Echtzeit anschauen.

Einblick in die Geschichte des Universums
Für ihn liegt der Vorteil der neuen Methode darin, dass die Schwerkraft über die vibrierenden Stäbe dynamisch gemessen werde. «Bei dynamischen Messungen spielt es im Gegensatz zu statischen keine Rolle, dass sich die von anderen Körpern wirkende Schwerkraft nicht abschirmen lässt», erklärt er. Er hofft daher, dass er und sein Team mit dem Experiment dazu beitragen können, das Rätsel der Gravitation zu knacken. Die Wissenschaft hat diese Naturkraft oder die Experimente, die sich darauf beziehen, noch immer nicht vollständig verstanden.

Ein besseres Verständnis der Gravitation würde es beispielsweise erlauben, die Signale von Gravitationswellen besser zu interpretieren. Solche Wellen konnten im Jahr 2015 in den LIGO-​Observatorien in den USA erstmals nachgewiesen werden. Sie waren das Resultat von zwei sich umkreisenden Schwarzen Löchern, die in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung zur Erde verschmolzen waren. Seither konnten Wissenschaftler*innen dutzende solche Ereignisse dokumentieren. Könnte man solche Ereignisse detailliert nachzeichnen, ließen sich neue Einblicke in das Universum und dessen Geschichte gewinnen.

Krönender Karriereabschluss
Jürg Dual beschäftigt sich seit 1991 mit Methoden zur Messung der Gravitationskonstante, stellte die Arbeit daran zwischenzeitlich aber wieder ein. Die Beobachtung von Gravitationswellen am LIGO verlieh seiner Forschung neuen Schub, und 2018 nahm er die Gravitationsforschung wieder auf. 2019 richtete die Gruppe das Labor in der Festung Furggels ein und setzte neue Experimente auf. Am Projekt beteiligt waren nebst den Wissenschaftlern aus Duals Gruppe auch Infrastrukturpersonal wie Reinraumspezialisten, ein Elektroingenieur und ein Mechaniker sowie eine Statistikerin. «Dieses Experiment ist nur dank eines jahrelangen Team-​Efforts zustande gekommen.»

Publikation
Brack T, Zybach B, Balabdaoui F, et al. Dynamic measurement of gravitational coupling between resonating beams in the hertz regime. Nature Physics, 11. Juli 2022. Doi: 10.1038/s41567-​022-01642-8
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01642-8

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), ETH-News Arian Bastani 8. Juli 2022.

Obwohl die Erde seit langem detailliert untersucht wird, sind einige grundlegende Fragen immer noch nicht beantwortet. Eine davon betrifft die Entstehung unseres Planeten, über dessen Anfänge sich die Forschenden immer noch im Unklaren sind. Nun schlägt ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der ETH Zürich und des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS basierend auf Laborexperimenten und Computersimulationen eine neue Antwort auf diese Frage vor. Die Studie haben die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Astronomy publiziert.

Eine unerklärliche Diskrepanz
«Die vorherrschende Theorie in der Astrophysik und Kosmochemie besagt, dass die Erde aus sogenannten chondritischen Asteroiden entstanden ist. Das sind relativ kleine, einfache Blöcke aus Gestein und Metall, die sich früh im Sonnensystem gebildet haben», erklärt der Hauptautor der Studie, Paolo Sossi, Professor für experimentelle Planetologie an der ETH Zürich. «Das Problem an dieser Theorie ist, dass keine Mischung dieser Chondriten die exakte Zusammensetzung der Erde erklären kann. Diese ist wesentlich ärmer an leichten, flüchtigen Elementen wie Wasserstoff und Helium als man erwarten würde.»

Um diese Diskrepanz zu erklären, wurden im Laufe der Jahre verschiedene Hypothesen formuliert. So wurde beispielsweise postuliert, dass die Kollisionen der Objekte, aus denen sich später die Erde bildete, zu einer starken Erhitzung geführt haben. Dadurch seien die leichten Elemente verdampft, so dass am Ende eben ein Planet mit der heutigen Zusammensetzung der Erde zurückblieb.

Misst man jedoch die Isotopenzusammensetzung von verschiedenen Elementen auf der Erde, werden diese Theorien unplausibel, ist Sossi überzeugt: «Die Isotope eines chemischen Elements haben alle gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen. Isotope mit weniger Neutronen sind leichter und sollten daher einfacher entweichen können. Wäre die Theorie der Verdampfung durch Erhitzung richtig, würde man heute auf der Erde weniger von diesen leichten Isotopen finden als in den ursprünglichen Chondriten. Doch genau das zeigen die Isotopenmessungen eben nicht.»

Ein kosmischer Schmelztiegel
Das Team um Sossi hat daher nach einer anderen Lösung gesucht. «Dynamische Modelle, mit denen wir die Entstehung von Planeten simulieren, zeigen, dass sich die Planeten in unserem Sonnensystem nach und nach gebildet haben. Anfänglich kleine Körner sind mit der Zeit zu kilometergroßen Planetesimalen herangewachsen, indem sie durch ihre Anziehungskraft immer mehr Material angesammelt haben», erklärt Sossi. Ähnlich wie Chondrite sind auch Planetesimale kleine Körper aus Gestein und Metall. Aber im Gegensatz zu Chondriten wurden sie ausreichend erhitzt, um sich in einen metallischen Kern und einen felsigen Mantel zu differenzieren. «Außerdem können Planetesimale, die sich in verschiedenen Gebieten um die junge Sonne oder zu verschiedenen Zeiten gebildet haben, eine sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen», ergänzt Sossi. Die Frage ist nun: Könnte die zufällige Kombination verschiedener Planetesimale tatsächlich zu einer Zusammensetzung führen, die derjenigen der Erde entspricht?

Um dies herauszufinden, führte das Team Simulationen durch, bei denen Tausende von Planetesimalen im frühen Sonnensystem miteinander kollidierten. Dabei wurden die Modelle so ausgelegt, dass mit der Zeit Himmelkörper entstanden, welche den vier Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars entsprechen. Die Simulationen zeigen nun, dass eine Mischung vieler verschiedener Planetesimale tatsächlich zur effektiven Zusammensetzung der Erde führen könnte. Mehr noch: Die Zusammensetzung der Erde ist sogar das statistisch wahrscheinlichste Ergebnis dieser Simulationen.

Eine Blaupause für andere Planeten
«Auch wenn wir es vermutet hatten, war dieses Ergebnis für uns doch sehr bemerkenswert», erinnert sich Sossi. «Wir haben jetzt nicht nur einen Mechanismus, der die Entstehung der Erde besser erklärt, sondern auch eine Referenz, um die Entstehung der anderen Gesteinsplaneten zu erklären», meint der Forscher. Man könnte mit dem Mechanismus zum Beispiel vorhersagen, wie sich die Zusammensetzung des Merkurs von jener anderer Gesteinsplaneten unterscheidet. Oder wie felsige Exoplaneten anderer Sterne zusammengesetzt sein könnten.

«Unser Studie zeigt, wie wichtig es ist, sowohl die Dynamik als auch die Chemie zu berücksichtigen, wenn man die Entstehung von Planeten verstehen will», hält Sossi fest. «Ich hoffe, dass unsere Erkenntnisse zu einer engeren Zusammenarbeit zwischen Forschenden aus diesen beiden Bereichen führen.»

Publikation
Sossi P et.al. Stochastic accretion of the Earth. Nature Astronomy, 8. Juli 2022. DOI: 10.1038/s41550-​022-01702-2
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01702-2

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• Planetenentstehung

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Quelle: ETH Zürich 7. Juli 2022.

7. Juli 2022 – Das Ozonloch über der Antarktis ist vielen ein Begriff. Weniger bekannt ist, dass gelegentlich auch über der Arktis das schützende Ozon in der Stratosphäre zerstört und die Ozonschicht ausgedünnt wird. Zuletzt so geschehen in den Frühlingsmonaten der Jahre 2011 und 2020.

Nach diesen beiden Ereignissen beobachteten Klimaforschende Wetteranomalien über der gesamten Nordhalbkugel. In Mittel- und Nordeuropa, Russland und vor allem in Sibirien war es in jenen Frühjahren außerordentlich warm und trocken. In polaren Gebieten hingegen herrschten nasse Bedingungen vor. Diese Wetteranomalien waren 2020 besonders ausgeprägt. Auch in der Schweiz war es in jenem Frühjahr besonders warm und trocken.

Ob zwischen der Ozonzerstörung in der Stratosphäre und den beobachteten Wetteranomalien ein ursächlicher Zusammenhang besteht, ist in der Klimaforschung umstritten. Eine Rolle spielt zudem der Polarwirbel in der Stratosphäre, der sich im Winter bildet und im Frühling zerfällt. Wissenschaftler*innen, die das Phänomen bisher untersuchten, kamen zu widersprüchlichen Resultaten und unterschiedlichen Schlüssen.

Nun bringen die Doktorandin Marina Friedel und SNF Ambizione Fellow Gabriel Chiodo aus der Gruppe von Thomas Peter, Professor für Atmosphärenchemie an der ETH Zürich, in Zusammenarbeit mit der Universität Princeton und weiteren Universitäten, Licht in die Sache.

Simulationen decken Zusammenhang auf
Um einen möglichen ursächlichen Zusammenhang aufzudecken, simulierten die Forschenden das Phänomen, indem sie den Ozonabbau in zwei unterschiedlichen Klimamodellen integrierten. Die meisten Klimamodelle berücksichtigen nur physikalische Faktoren, nicht aber Variationen des Ozongehalts der Stratosphäre, unter anderem deshalb, weil dies viel mehr Rechenkapazität benötigen würde.

Die neuen Berechnungen machen aber deutlich: Die Ursache für die in den Jahren 2011 und 2020 beobachteten Wetteranomalien auf der Nordhalbkugel ist mehrheitlich die Ozonzerstörung über der Arktis. Die Simulationen, die die Forschenden mit den beiden Modellen durchführten, deckten sich weitgehend mit den Beobachtungsdaten aus den beiden Jahren sowie acht weiteren solchen Ereignissen, die zu Vergleichszwecken herangezogen wurden. War in den Modellen die Ozonzerstörung jedoch «ausgeschaltet», ließen sich die Beobachtungen nicht reproduzieren.

«Aus wissenschaftlicher Sicht hat uns am meisten überrascht, dass die Modelle, die wir für die Simulationen verwendet haben, grundverschieden sind, aber ein ähnliches Resultat ergaben», sagt Mitautor Gabriel Chiodo, SNF Ambizione Fellow am Institut für Atmosphäre und Klima.

Mechanismus geklärt
Am Anfang des Phänomens, wie es die Forschenden nun untersucht haben, steht der Ozonabbau in der Stratosphäre. Damit Ozon dort abgebaut wird, müssen die Temperaturen in der Arktis sehr tief sein. «Die Ozonzerstörung läuft nur dann ab, wenn es kalt genug und der Polarwirbel in der Stratosphäre, rund 30 bis 50 Kilometer über dem Erdboden, stark ist», betont Friedel.

Normalerweise absorbiert Ozon die von der Sonne abgegebene UV-Strahlung und erwärmt dadurch die Stratosphäre. Das trägt zum Zerfall des Polarwirbels im Frühjahr bei. Ist aber weniger Ozon vorhanden, kühlt sich die Stratosphäre ab und der Wirbel wird stärker. Und das wirkt sich auf die Erdoberfläche aus. «Ein starker Polarwirbel erzeugt dann die beobachteten Oberflächeneffekte», sagt Chiodo. Ozon trägt also wesentlich dazu bei, dass sich die Temperatur und die Zirkulation rund um den Nordpol verändern.

Genauere Langfristprognosen möglich
Die neuen Erkenntnisse könnten Klimaforschenden helfen, künftig genauere saisonale Wetter- und Klimaprognosen zu erstellen. So lassen sich die Wärme- und Temperaturänderungen besser vorhersagen. «Für die Landwirtschaft ist das wichtig», betont Chiodo.

«Interessant wird sein, die künftige Entwicklung der Ozonschicht zu beobachten und zu modellieren», sagt Friedel. Denn noch geht der Ozonabbau weiter, obwohl ozonzerstörende Substanzen wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) seit 1989 verboten sind. FCKW sind sehr langlebig und verweilen 50 bis 100 Jahre in der Atmosphäre. Sie entfalten ihr zerstörerisches Potenzial auch Jahrzehnte, nachdem sie aus dem Verkehr gezogen wurden. «Die FCKW-Konzentration sinkt jedoch stetig, und damit stellt sich die Frage, wie schnell sich die Ozonschicht erholt und wie sich dies auf das Klimasystem auswirkt», sagt die Klimaforscherin.

Publikation
Friedel M, et al. Springtime arctic ozone depletion forces northern hemisphere climate anomalies. Nature Geoscience, 2022. Doi: 10.1038/s41561-022-00974-7
https://www.nature.com/articles/s41561-022-00974-7

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• Klimawandel

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Quelle: ETH Zürich 24. Mai 2022.

Bevor sich die Erde und die anderen Planeten gebildet hatten, war die junge Sonne von kosmischem Gas und Staub umgeben. Aus dem Staub bildeten sich über die Jahrtausende Gesteinsbrocken von unterschiedlicher Größe. Viele wurden zu Bausteinen für die späteren Planeten. Doch manche dieser Brocken wurden nie Teil eines Planeten und umkreisen die Sonne noch heute, etwa als Teil des Asteroidengürtels.

Forschende der ETH Zürich und des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS analysierten nun in Zusammenarbeit mit weiteren Universitäten Eisenproben aus Kernen von Asteroiden, die als Meteoriten auf die Erde gefallen sind.

Mit diesen Analysen enthüllten die Forschenden einen Teil der Frühgeschichte unseres Sonnensystems, als sich die Planeten formierten. Die Ergebnisse wurden soeben in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Zeugen des frühen Sonnensystems
«Frühere wissenschaftliche Studien zeigten, dass Asteroiden im Sonnensystem seit ihrer Entstehung vor Milliarden von Jahren fast unverändert geblieben sind», erklärt Alison Hunt, Hauptautorin der Studie und wissenschaftliche Mitarbeiterin an der ETH Zürich. «Sie sind daher eine Art Archiv, in dem die Bedingungen des frühen Sonnensystems erhalten sind.»

Doch um dieses Archiv zu entschlüsseln, mussten die Forschenden das außerirdische Material gründlich aufbereiten und analysieren. Das Team entnahm Proben von 18 verschiedenen Eisenmeteoriten, die einst Teil des metallischen Kerns von Asteroiden waren. Für ihre Analyse isolierten sie aus den Proben die Elemente Palladium, Silber und Platin. Mithilfe eines Massenspektrometers untersuchten sie danach, wie häufig verschiedene Isotope dieser Elemente in den Proben vorkommen.

In den ersten Millionen von Jahren unseres Sonnensystems heizten sich die metallischen Asteroidkerne durch den radioaktiven Zerfall von Isotopen auf. Während der nachfolgenden Abkühlung reicherte sich darin ein spezifisches Silber-​Isotop an, das ebenfalls durch den radioaktiven Zerfall entstanden ist. Indem die Forschenden die gegenwärtigen Silber-​Isotopen-Verhältnisse in den Eisenmeteoriten maßen, konnten sie bestimmen, wann und wie schnell sich die Asteroidenkerne abgekühlt hatten.

Asteroiden kühlten rasch ab
Die Ergebnisse zeigen, dass die Abkühlung rasch erfolgte und wahrscheinlich durch heftige Kollisionen zwischen den Himmelskörpern verursacht wurde. Durch die Kollisionen brach der isolierende äußere Gesteinsmantel der Asteroiden ab, so dass die Metallkerne der Kälte des Weltraums ausgesetzt wurden. Dass es zu einer schnellen Abkühlung kam, wurde bereits durch frühere Studien angedeutet, die ebenfalls auf Silber-​Isotopen-Messungen beruhten. Allerdings blieb der Zeitpunkt der Kollisionen unklar.

«Unsere zusätzlichen Messungen von Platin-​Isotopen erlaubten uns, die Messungen der Silber-​Isotope zu korrigieren, da diese durch die kosmische Strahlung verzerrt wurden. Dadurch konnten wir den Zeitpunkt der Zusammenstöße genauer als je zuvor datieren», sagt Hunt. «Zu unserer Überraschung wurden alle von uns untersuchten Asteroidenkerne fast gleichzeitig der Kälte des Weltalls ausgesetzt, das heißt innerhalb eines Zeitraums von 7,8 bis 11,7 Millionen Jahren nach der Entstehung des Sonnensystems.»

Die nahezu gleichzeitigen Zusammenstöße der verschiedenen Asteroiden deuten darauf hin, dass es sich bei dieser Zeitperiode um eine sehr unruhige Phase des Sonnensystems gehandelt haben muss. «Alles scheint damals zusammengeprallt zu sein», sagt Hunt. «Und wir wollten wissen, warum.»

Vom Labor zum solaren Nebel
Um die Frage zu beantworten, kombinierte das Team die Messergebnisse mit neuen, ausgeklügelten Computersimulationen zur Entwicklung des Sonnensystems.

«Die unruhige Frühphase des Sonnensystems wurde vermutlich durch die Auflösung des so genannten solaren Nebels verursacht», sagt Maria Schönbächler, Mitautorin der Studie und Professorin für Kosmochemie an der ETH Zürich. «Dieser Sonnennebel ist der Überrest an Gas der kosmischen Wolke, aus der die Sonne entstanden ist. Während weniger Millionen Jahre umkreiste er die junge Sonne, bis er von Sonnenwind und -​strahlung weggeblasen wurde.»

Solange der Nebel vorhanden war, bremste er die Objekte, die um die Sonne kreisten, ähnlich wie der Luftwiderstand ein fahrendes Auto abbremst. Nachdem der Nebel verschwunden war, so vermuten die Forschenden, führte der fehlende Widerstand des Nebels dazu, dass sich die Asteroiden beschleunigten und miteinander kollidieren konnten.

«Unsere Studie macht deutlich, wie wir dank verbesserter Labormessverfahren wichtige Prozesse im frühen Sonnensystem rekonstruieren können. Sie geben uns zum Beispiel Hinweise, wann der Sonnennebel verschwunden war. Planeten wie die Erde befanden sich zu dieser Zeit noch im Entstehungsprozess. Letztlich können wir so besser verstehen, wie unsere eigenen Planeten entstanden sind, aber auch Einblicke in andere Planeten außerhalb unseres Sonnensystems gewinnen», so Schönbächler.

Originalpublikation:
Hunt AC, Theis KJ, Rehkämper M, et al. The dissipation of the solar nebula constrained by impacts and core cooling in planetesimals. Nature Astronomy, online publiziert am 23. Mai 2022; doi: 10.1038/s41550-​022-01675-2
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01675-2

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• Meteoriten & Co – Boten aus dem Weltall

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