Quelle: TU Braunschweig 24. April 2024.

24. April 2024 – Ein internationales Forscher*innen-Team unter der Leitung des französischen Laboratory of Plasma Physics (LPP/CNRS) beschreibt in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ neue Erkenntnisse über die Atmosphäre der Venus. Mit Hilfe von Beobachtungen der Raumsonde BepiColombo, an der auch das Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik (IGEP) sowie das Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze (IDA) der TU Braunschweig beteiligt sind, konnten in der magnetischen Umgebung des Planeten erstmals Kohlenstoff- und Sauerstoffionen nachgewiesen werden. Die Ergebnisse sind jetzt in Nature Astronomy erschienen.

Geheimnisvoller Planet Venus
Unser Nachbarplanet Venus besitzt im Gegensatz zur Erde kein eigenes Magnetfeld. Daher wechselwirkt der von der Sonne ausgehende Teilchenstrom, auch Sonnenwind genannt, direkt mit der oberen Venus-Atmosphäre und entreißt dieser dabei geladene Teilchen, die so in den Weltraum entweichen können. Frühere Messungen von Raumsonden wie Venus Express hatten bereits gezeigt, dass diese Ionen hauptsächlich aus Sauerstoff und Wasserstoff bestehen. Die Massenauflösung der damals verwendeten Instrumente reichte jedoch nicht aus, um zwischen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff zu unterscheiden.

Merkursonde BepiColombo fliegt an Venus vorbei
Auf ihrem Weg zum Merkur braucht die Raumsonde BepiColombo Vorbeiflüge an Erde, Venus und Merkur selbst sowie ein elektrisches Antriebssystem, um gegen die gewaltige Anziehungskraft der Sonne letztendlich in die Merkurumlaufbahn einschwenken zu können. Am 10. August 2021 flog die Raumsonde zum zweiten und letzten Mal an der Venus vorbei.

Bei dieser Gelegenheit näherte sich BepiColombo auf 552 Kilometer an die Oberfläche des Planeten an. Viele der Instrumente an Bord waren während des Vorbeiflugs aktiv und sammelten einzigartige Daten aus der Umgebung der Venus. Unter anderem entdeckte das Ionenmassenspektrometer (MSA) des IDA einen Strom von niederenergetischen Kohlenstoff- und Sauerstoffionen. „Die Magnetfeldmessungen ergänzen diese Partikelmessungen wunderbar und zeigen, dass diese Teilchen tatsächlich aus der Venusmagnetosphäre herausfließen“, freut sich Koautor Daniel Heyner, Mitglied in der IGEP-Magnetometergruppe. Das IGEP hat die Magnetfeldsensoren in Braunschweig gebaut und ist für deren Betrieb einschließlich der Datenverarbeitung zuständig.

Manche Wissenschaftler*innen gehen davon aus, dass die Venus vor 700 Millionen Jahren noch flüssiges Wasser auf der Oberfläche hatte. Durch einen katastrophalen Treibhauseffekt hätte sich die Oberfläche aber so aufgeheizt, dass sämtliches Wasser verdunstet und aus der Atmosphäre entwichen sei. Heutzutage besteht die Venusatmosphäre zu etwa 97 % aus Kohlenstoffdioxid. Die Entdeckung des Kohlenstoff-Teilchenstroms durch die Raumsonde BepiColombo liefert wichtige Informationen über die Zusammensetzung und die Dynamik der Magnetosphäre der Venus und könnte dazu beitragen, auch die bisherige und zukünftige Entwicklung ihrer Atmosphäre zu erklären. Die vom Planeten entweichenden Elektronen erzeugen ein elektrisches Feld, das vermutlich die Kohlenstoff- und Sauerstoffionen mitreißt und aus der Venusatmosphäre schleudert.

Das IGEP an Bord von BepiColombo
Die Doppelraumsonde BepiColombo ist eine Kooperation zwischen der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA. Das IGEP ist an den Magnetfeldmessgeräten auf beiden Raumsonden – Mio (Magnetosphärischer Orbiter) und MPO (Planetarer Orbiter) beteiligt. Finanziert wurden die IGEP-Beiträge von der Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt.

„Es ist schön, dass die jahrelange und intensive Arbeit an unseren Magnetometern bereits erste Früchte trägt, bevor BepiColombo überhaupt am Ziel angekommen ist. Gemeinsam mit den Wissenschaftler*innen am Institut bin ich schon sehr gespannt, was die Instrumente über die Magnetosphäre des Planeten Merkur und sein Inneres herausfinden werden“, so Daniel Heyner.

„Wissenschaftler auf der ganzen Welt freuen sich über diese Messungen von BepiColombo während des Venusvorbeiflugs. Die neuen Daten ermöglichen weitergehende Forschungen über die Entwicklung von Planetenatmosphären, Magnetosphären und ihre Wechselwirkung mit dem Sonnenwind“, zeigt sich Professor Ferdinand Plaschke, Leiter der Arbeitsgruppe am IGEP, erfreut.

Warum ist Weltraumforschung wichtig
BepiColombo ist die erste europäische Mission zum Merkur, die in Kooperation mit der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) unter der Leitung der Europäischen Weltraumorganisation ESA durchgeführt wird. Die Doppelraumsonde wurde am 20. Oktober 2018 gestartet und befindet sich auf einer siebenjährigen Reise zum kleinsten und am wenigsten erforschten terrestrischen Planeten in unserem Sonnensystem. Wenn sie Ende 2025 beim Merkur ankommt, werden die Hightech-Instrumente an Bord trotz Temperaturen von über 350 °C mindestens ein Jahr lang hochgenaue Daten sammeln, auf die man auf der Erde schon sehnlich wartet.

Merkur ist der einzige Planet im Sonnensystem, der wie die Erde eine feste Oberfläche hat und mit dem flüssigen Kern in seinem Inneren ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld und seine Beeinflussung durch den Sonnenwind wird mit den Messgeräten der beiden BepiColombo-Satelliten präzise vermessen, um so den inneren Aufbau des Merkurs zu untersuchen, Unterschiede und Gemeinsamkeiten mit dem Erdkern zu erforschen und dadurch die innere Struktur unseres Heimatplaneten Erde besser zu verstehen.

Originalpublikation
Hadid et al.: BepiColombo observations of cold oxygen and carbon ions in the flank of the induced magnetosphere of Venus, Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-024-02247-2, 2024.
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02247-2
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02247-2.pdf

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Quelle: ZAMG.

Das Weltraumwetter sorgt nicht nur für beeindruckende Lichtspiele, auch bekannt als Polarlichter, sondern kann auch gehörigen Einfluss auf unsere modernen Technologien nehmen. Sogenannte geomagnetische Stürme können beispielsweise die Stromversorgung, GPS-Systeme und andere Kommunikationssysteme, auf die unsere moderne Gesellschaft angewiesen ist, erheblich beeinflussen. Eine Ausdehnung unserer Raumfahrtprogramme und die zunehmende menschliche Präsenz im Weltraum, wie auf der internationalen Raumstation oder bald wieder auf dem Mond, setzt eine genaue Vorhersage des Sonnenwindes voraus. Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen, der sich ausgehend von unserem Zentralgestirn in den Weltraum ausbreitet und dabei auch auf das Erdmagnetfeld trifft.

Physikalische Modelle und Künstliche Intelligenz
Die Vorhersage solcher Sonnenstürme stellt selbst für die fortschrittlichsten physikalischen Modelle ein ungelöstes Problem dar. In den verschiedensten Bereichen wie Finanzen, Logistik oder der klassischen Meteorologie werden mit Methoden der Künstlichen Intelligenz gerade enorme Fortschritte erzielt, wenn es darum geht, zukünftige Entwicklungen vorherzusagen. Eine Anwendung auf den Sonnenwind liegt daher nahe, auch wenn von Raumsonden insgesamt noch deutlich weniger Daten generiert werden als in den anderen genannten Bereichen.

In der neuen Studie suchten Forscher*innen der ZAMG und des IWF Graz in Zusammenarbeit mit dem US Air Force Research Lab und NASA Goddard nach einem neuen Ansatz, um die Vorhersage zu verbessern. „Es ist uns gelungen, Modelle des Magnetfeldes der Sonne mit Algorithmen aus dem Bereich Machine Learning zu kombinieren, um damit die Auswirkungen des Sonnenwindes auf die Erde deutlich besser vorherzusagen, als es bisher möglich war“, erläutert ZAMG-Forscherin Rachel Bailey, Erstautorin der Studie.

Verbesserung der Vorhersage um 20 Prozent
„Wir mussten 25 Jahre an Messungen und Modelldaten untersuchen. Doch die Ergebnisse geben diesem Aufwand mehr als recht“, setzt Bailey fort. Die neue Methode reduziert den Fehler in der Geschwindigkeit des Sonnenwindes von 99 Kilometer pro Sekunde auf 78 Kilometer pro Sekunde und verbessert dabei die Vorhersage allgemein um etwa 20 Prozent. „Der neue Ansatz ebnet den Weg, um in Zukunft aufwändigere Simulationen des Sonnenwindes in Echtzeit zu optimieren“, ergänzt IWF-Forscher und Modellentwickler Martin Reiss.

Das Forschungsprojekt steht unter der Leitung des IWF und wird vom FWF finanziert.

Weitere Informationen
Studie: -> Link zur Studie

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Quelle: IWF.

Graz, 23. Februar 2021 – Rund um den Globus gibt es etwa 40 aktive Laserstationen, die routinemäßig Entfernungen zu Satelliten messen und dabei Genauigkeiten im Millimeter-Bereich erzielen. „Während manche Stationen noch mit zehn Messungen pro Sekunde arbeiten, haben wir bereits 2004 als allererste Station mit 2000 Laserschüssen pro Sekunde begonnen“, blickt IWF-Gruppenleiter Georg Kirchner stolz zurück. Mittlerweile ist etwa die Hälfte aller Laserstationen weltweit dem Grazer Beispiel gefolgt.

Nun lässt die Grazer Laserstation mit einer weiteren signifikanten Steigerung aufhorchen: Mit einem Demo-Laser-System der deutschen Firma NeoLase wurden 2020 erstmals erfolgreich Messungen mit bis zu 1 MHz durchgeführt – sowohl bei Tag als auch bei Nacht. Die Resultate sind soeben in der Fachzeitschrift „Optics Letters“ erschienen. Bei Messungen zu Galileo-Satelliten wurden über 2000 Echos pro Sekunde erzielt – von 500 Laserpulsen kommt also im Schnitt nur ein einziges Echo zurück. „Trotzdem ist das eine mehr als zehnfache Steigerung gegenüber bisherigen 2-kHz-Messungen, bei Satelliten in niedrigeren Orbits betrug die Steigerung mehr als das Hundertfache“, freut sich IWF-Forscher Peiyuan Wang, Erstautor der Studie.

Der Vorteil der MHz-Messungen liegt aber nicht nur in der deutlich höheren Anzahl der Messungen, sondern ermöglicht auch das Erkennen einzelner Retro-Reflektoren auf den Satelliten – und dadurch insgesamt eine beachtliche Verbesserung der erzielbaren Genauigkeit.

Auf Grund dieser Testergebnisse haben sich die IWF-Forscher dazu entschlossen, ein solches MHz-Lasersystem Mitte 2021 am Lustbühel zu installieren. Damit wird die Grazer Station auch weiterhin ihrer weltweiten Vorreiterrolle auf diesem Gebiet gerecht.

Publikation
Peiyuan Wang, Michael A. Steindorfer, Franz Koidl, Georg Kirchner, Erich Leitgeb, Megahertz repetition rate satellite laser ranging demonstration at Graz observatory, Optics Letters, 46, 937-940, doi:10.1364/OL.418135, 2021

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