Am 22. Februar 2018 starten zwei unscheinbare Satelliten in eine Umlaufbahn: Sie sind weder besonders groß, noch auf andere Weise auffällig. Aber diese zwei Satelliten, die den Namen Starlink tragen, läuten einen Wandel im erdnahen Weltraum ein. Und der ist auch heute längst noch nicht abgeschlossen. Wir befinden uns mitten im Zeitalter der Megakonstellationen – von tausenden Satelliten, die viele neue Anwendungen möglich machen. Allerdings kommen diese Chancen der Raumfahrt zu einem hohen Preis.

Karl erzählt in dieser Podcastfolge von seiner Langzeitrecherche über die letzten sechs Jahre. Er wollte herausfinden, ob die Atmosphäre durch immer mehr startende Raketen und vor allem durch die stark wachsende Zahl verglühender Satelliten beschädigt werden könnte. Wieder mal geht es um die Ozonschicht: Denn jeder verglühende Satellit hinterlässt Partikel aus Aluminium, die chemische Abbaureaktionen anstoßen könnten und dadurch den planetaren Schutzschicht gegen krebserregende UV-Strahlung der Sonne beschädigen.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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• AstroGeo Podcast
• Starlink – Satellitenkonstellation
• Beeinträchtigung von astronomischen Teleskopen durch Megakonstellationen
• Mögliche und tatsächliche (Kollisions-) Gefahren durch Megakonstelllationen
• Starlink auf Falcon 9 (2024)

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Quelle: Forschungszentrum Jülich 10. August 2023.

10. August 2023 – Erste Messdaten werden Ende des Jahres erwartet. Mit ihrer Hilfe sollen unter anderem neue Erkenntnisse zum Klimawandel gewonnen werden.

ARCADE ist ein Mikrosatellit mit einem Volumen von etwa 27 Litern. Er trägt als wissenschaftliche Hauptnutzlast ein Fernerkundungsgerät aus Jülich, das mit einem neuartigen Spatial Heterodyne Interferometer (SHI) ausgestattet ist. Dabei handelt es sich um eine gemeinsame Entwicklung des Jülicher Instituts für Stratosphäre sowie des Instituts für Systeme der Elektronik, in die zahlreiche Student:innen des Instituts für Atmosphären- und Umweltforschung der Bergischen Universität Wuppertal eingebunden waren. Projektleiter ist Dr. Martin Kaufmann vom Institut für Stratosphäre. Das Instrument ermöglicht es, die mittlere und obere Atmosphäre (Mesosphäre und untere Thermosphäre) zu erforschen. Die gewonnenen Daten spielen eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung wertvoller Temperaturinformationen, die zu genaueren Erkenntnissen über die Dynamik der äquatorialen Breiten führen.

In Kombination mit den Daten der Compact Ionosphere Probe (CIP), einem von der National Central University in Taiwan entwickelten Gerät, werden diese Messungen Aufschluss über die Einwirkung der unteren Atmosphäre auf die Ionosphäre geben und wertvolle Informationen über Strukturen in der äquatorialen Ionosphäre liefern. Diese Erkenntnisse liefern einen wichtigen wissenschaftliche Beitrag, um die Auswirkungen des Klimawandels in dieser Region besser vorherzusagen und die Zuverlässigkeit von Satellitenkommunikationssystemen sowie die Genauigkeit von GNSS-Diensten für die Navigation verbessern zu können.

Das SHI-Projekt erhielt fachliche Unterstützung von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und wurde auch vom Europäischen Metrologie-Programm für Innovation und Forschung gefördert. Die Entwicklung von ARCADE erfolgte am Satellite Research Centre an der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur als wichtiger Bestandteil des International Satellite Program in Research and Education (INSPIRE). Neben der NTU sind auch Institutionen aus Deutschland, Taiwan, Indien und den USA an dieser faszinierenden Mission beteiligt.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik e.V. an der Universität Rostock 4. Januar 2023.

4. Januar 2023 – Das Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik startet mit voller Kraft ins neue Jahr: Gleich zwei Projekte konnten die Forschenden der Abteilung Optische Sondierung an Land ziehen.

Unter dem Kürzel DEFINE („Density Field in the MLT“) bereitet das Kühlungsborner Institut in Kooperation mit Partnern aus Norwegen und Schweden in den kommenden Monaten einen Raketenstart vor. Ziel ist es, Parameter in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre zu messen und Aussagen zur Strahlungsbilanz zu treffen. Die Rakete soll im Jahr 2025 aus dem norwegischen Andøya starten. Das Projekt DEFINE wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit 3 Millionen Euro gefördert. Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

Gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Greifswald arbeitet das Institut zudem an einer neuartigen Lidar-Methode, um Staubpartikel von Meteoren in der mittleren Atmosphäre zu beobachten. Dafür stellt die Deutsche Forschungsgemeinschaft dem Kühlungsborner Institut 300.000 Euro bereit. Starttermin für dieses Forschungsprojekt ist im Juni 2023.

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