Quelle: ESA.

Ungewöhnlich starke Winde hatten die niedrigen Ozonwerte verursacht. Die auch als Polarwirbel bezeichneten Luftströmungen verhindern eine Vermischung der Luftmassen über dem Nordpol mit Luft aus niedrigeren Breiten und sorgen für einen Isolation der Atmosphäre über dem Pol. Dadurch kam es zu sehr tiefen Temperaturen und Bedingungen, wie sie üblicherweise regelmäßig über der Antarktis auf der Südhalbkugel auftreten.

Als die Märzsonne auf die kalte Luft über der Arktis traf, wurden Bor- und Chloratome frei. Bor und Chlor sind Gase, die über Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) in die Atmosphäre eingetragen werden, und in atomarer Form Ozon in normalen molekularen Sauerstoff O₂ umwandeln können. Letzteres geschieht hauptsächlich in der unteren Stratosphäre rund 20 Kilometer über der Erdoberfläche.

Ozon stellt in der Atmosphäre eine Schutzschicht vor einem zu hohen Ultraviolettanteil im Sonnenlicht dar. In rund 25 Kilometern Höhe wirkt Ozon als Filter, der beispielsweise das Risiko von Hautkrebs und Augenschäden deutlich reduziert, und so auch das Leben im Meer begünstigt.

Über der Arktis variieren Temperaturen von Winter zu Winter in einer großen Bandbreite. Im Winter 2010 waren Temperaturen und der Ozongehalt in der Atmosphäre über der Arktis sehr hoch. Besonders niedrige Temperaturen über dem Nordpol waren zum letzten Mal im Winter 1997 gemessen worden.

Wissenschaftler untersuchen jetzt, warum in den Wintern 2011 und 1997 so außergewöhnlich niedrige Temperaturen auftraten. Außerdem versuchen sie herauszufinden, ob diese scheinbar zufällig auftretenden Zustände in einer Beziehung zum weltweiten Klimawandel stehen.

Angesichts des Klimawandels könnte man erwarten, dass die Durchschnittstemperatur in der Stratosphäre sinkt, was zu einer ausgedehnteren Zerlegung von Ozon führen würde. Andererseits gibt es Studien, die auf eine Ausdehnung der Luftmassenumwälzung über der nördlichen Hemisphäre sprechen, wodurch aus den Tropen herangeführtes Ozon die Verluste durch die Ozonzerlegung über der Arktis reduzieren könnte.

Für eine fundierte Prognose, wie sich der Ozongehalt über der Arktis entwickeln wird, werden verbesserte Modelle und zusätzliche Beobachtungsdaten benötigt. Ohne die schon erfassten Daten wäre sie überhaupt nicht möglich. Die Europäische Weltraumagentur (ESA) widmet den erforderlichen Forschungen ein eigenes Projekt.

Die Messungen von Envisats Instrumenten GOMOS, MIPAS und Sciamachy liefern einzigartige Informationen über den Ozongehalt in der Atmosphäre. Weil diese so wichtig für die Bestimmung der einzelnen chemischen und dynamischen Prozesse sind und bei der Beurteilung des Einflusses des Klimawandels auf die Stratosphäre helfen, hofft man, die Instrumente des alternden Satelliten noch möglichst lange betreiben zu können.

Nach dem Bann durch das Protokoll von Montreal, verabschiedet im September 1987 von den Vereinten Nationen, sind die FCKW noch lange nicht aus der Luft verschwunden. Immerhin ist eine Abnahme ihrer Konzentration zu verzeichnen. Trotzdem werden sie in den kommenden Dekaden immer wieder gravierende Ozonverluste verursachen, sinken die Wintertemperaturen nur tief genug ab.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ISRO.

Die Landung des Impaktors genau am Geburtstag des ehemaligen Premierministers Indiens Pandit Jawaharlal Nehru sei ein historischer Augenblick. Auf die Seitenwände des Impkators war die Indische Flagge aufgemalt, und so habe sie die Mondoberfläche erreicht. MIP soll in der südlichen Polarregion nahe des Shackleton-Kraters aufgetroffen sein.

Der bei Abtrennung vom Mutterschiff Chandrayaan 1 34 Kilogramm wiegende Impaktor sei um 15:36 Uhr MEZ abgestoßen worden. Während seines Abstiegs zur Mondoberfläche seien drei auch für künftige Mondmissionen wichtige Instrumente an Bord eingesetzt worden. Ein Videosystem sollte Bilder von der sich nähernden Mondoberfläche aufnehmen, ein Radarhöhenmesser sollte dazu Höhendaten feststellen, und ein Massenspektrometer sollte zum Studium der extrem dünnen Mondatmosphäre eingesetzt werden.

Nachdem der Subsatellit einen ausreichenden Sicherheitsabstand zu Chandrayaan 1 erreicht hatte, sei MIP mit Zündungen kleiner Triebwerke in eine stabilisierende Rotation versetzt worden. Ein Bremstriebwerk habe dann MIPs Geschwindigkeit vermindert, und den schnellen Abstieg zur Mondoberfläche eingeleitet. Die Messergebnisse und Bilddaten seien während des Abstiegs zum Mutterschiff gesendet worden, das sie gespeichert habe. Eine Auswertung der Daten im Speicher von Chandrayaan 1 wird nach und nach erfolgen. Zwei erste, von Chandrayaan 1 zur Erde gefunkte unbearbeitete Bilder, die MIP von der Mondoberfläche aufgenommen habe, hat die ISRO bereits veröffentlicht.

Die zuächst geäußerte Hoffnung, MIP könnte den Impakt funktionsfähig überstehen, erfüllte sich nicht. Bei Auftreffen auf die Mondoberfläche wurde der Impaktor vermutlich soweit zerstört, dass er keine Signale mehr senden kann. ISRO spricht von einer harten Landung, die das Funktionieren von MIP abschloss.

Raumcon:

• Chandrayaan-Thread ab Impactor-Termin

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Quelle. DLR.

Von den zehn wissenschaftlichen Instrumenten an Bord stammen zwei aus Deutschland: das Interferometer MIPAS (Michelson Interferometer for passive Atmospheric Spounding) und der Atmosphärensensor SCIAMACHY (Scanning Imaging Spectrometer for Atmospheric Chartography), der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in deutsch-niederländischer Kooperation beigesteuert wurde.

ENVISAT ist eine europäische Erfolgsgeschichte

In seinen ersten fünf Jahren hat der von der Europäischen Weltraumorganisation ESA betriebene Umweltsatellit ENVISAT rund 500 Terabyte an Daten gesammelt. Diese Datenmenge entspricht in etwa einem Turm aus DVDs in der Höhe des Kölner Doms. Die Daten werden zu über 50 verschiedenen Informations-Produkten verarbeitet. Messungen der drei atmosphärischen Sensoren sowie des Radar-Instruments werden dabei unter anderem im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Oberpfaffenhofen ausgewertet. Mehrere Tausend Forscher weltweit befassen sich mit den Daten des Umweltsatelliten. Bislang gab es zu ENVISAT über 1300 Forschungsvorhaben.

Atmosphären-„Spion“ SCIAMACHY überwacht die Atmosphäre

SCIAMACHY vergleicht direktes Sonnenlicht mit dem durch die Atmosphäre geschwächten Sonnenlicht. Die in der Luft enthaltenen Gase hinterlassen im Spektrum charakteristische „Fingerabdrücke“. Das erlaubt den Forschern, genaue Rückschlüsse auf die Konzentration von Luftschadstoffen zu ziehen. Neben Stickstoffdioxid konnten mit SCIAMACHY über ein Dutzend weiterer Spurengase der Erdatmosphäre global vermessen werden. Dies ermöglichte es deutschen Wissenschaftlern, die ersten weltweiten Karten der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan zu erstellen.

Rückgang von Luftschadstoffen in den USA nachgewiesen

Ein deutsch-amerikanisches Wissenschaftsteam konnte kürzlich anhand von SCIAMACHY-Daten in einigen Bereichen der USA einen Rückgang des Luftschadstoffs Stickstoffdioxid um bis zu 35 Prozent im Vergleich zu 1999 nachweisen. Stickstoffdioxid reizt die Atemwege, verursacht Sommersmog und Sauren Regen. Hauptquelle sind Verbrennungsvorgänge, zum Beispiel in der Industrie und in Motoren. Grund für die Abnahme der Stickstoffdioxid-Konzentration sind neu installierte Abgas-Kontrollsysteme bei drei großen Kraftwerken. Die Untersuchung der Wissenschaftler zeigt, wie erfolgreich Maßnahmen zur Reinigung von Kraftwerk-Abgasen sein können. In Gebieten der USA, in denen die Luft vor allem durch den Straßenverkehr mit Stickoxiden belastet wird, konnten die Forscher hingegen keine Verbesserungen feststellen.

Regenwälder stoßen Treibhausgas Methan aus

Für eine weitere Überraschung sorgten Daten von SCIAMACHY, die eine ungewöhnlich hohe Konzentration von Methan über den tropischen Regenwäldern zeigten. Alle gängigen Modellrechnungen hatten wesentlich niedrigere Werte vorausgesagt. Methan ist zusammen mit Kohlendioxid eines der wichtigsten Treibhausgase. Bisher waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dass sich die Regenwälder rein positiv auf den Anteil der Treibhausgase auswirken, da sie Kohlendioxid speichern. Ursache für die hohe Methankonzentration konnte nur ein bis dahin unbekannter biologischer Vorgang sein, bei dem das Gas durch Regenwaldpflanzen produziert wurde. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg entdeckten den unbekannten Prozess bei Labormessungen.

Auch für die Zukunft ist gesorgt

Im Programm „Lebender Planet“ der ESA sind bereits sechs weitere Wissenschaftssatelliten in Arbeit. Einige Instrumenten-Konzepte von ENVISAT sollen auch im Rahmen des GMES-Programms (Global Monitoring for Environment and Security) realisiert werden. GMES ist eine gemeinsame Initiative der Europäischen Kommission und der Europäischen Weltraumorganisation ESA für Globale Umwelt- und Sicherheitsüberwachung.

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA.

Am 28. Februar 2002 startet der 10 Tonnen schwere Umweltsatellit Envisat der Europäischen Raumfahrtagentur ESA ins All. Die Aufgaben für und Erwartungen an den Satelliten sind vielseitig. Raumfahrer.net berichtete:

„Von seiner polaren Umlaufbahn in 800 km Höhe aus soll Envisat etwa alle 100 Minuten einmal die Erde umkreisen und mit seinen zehn Beobachtungsinstrumenten den Zustand verschiedenster Parameter von Erde, Wasser und Luft unseres Planeten registrieren. Etwa drei Tage werden die meisten Instrumente an Bord des Satelliten benötigen, um die gesamte Planetenoberfläche einmal zu scannen, bevor ein neuer Durchlauf beginnt.“
Seit 2002 liefert er nun regelmäßig Daten über die globale Erwärmung, Veränderungen der Ozonschicht und den Klimawandel auf der Erde. Envisat hat mittlerweile die Sonnenstürme der vergangenden Wochen gut überstanden. Auf der Basis seiner Daten bieten nunmehr belgische Wissenschaftler einen neuen Internet-Service an: die Ozonvorhersage für eine Woche.

Ozon: Das lebensnotwendige Gift
Ozon ist ein sehr reaktionsfreudiges Spurengas. Wir treffen es von der Erdoberfläche bis in eine Höhe von etwa 110 km an. Am Boden stellt Ozon als Hauptbestandteil des Smogs ein Gesundheitsrisiko dar. In höheren Bereichen ist es dagegen lebensnotwendig.

Die maximale Ozondichte liegt in der Stratosphäre zwischen 12 bis 30 km. Das stratosphärische Ozon ermöglichte vor Milliarden Jahren die Bildung von Leben auf diesem Planeten. Es absorbiert auch heute bis zu 98 Prozent der von der Sonne kommenden schädlichen Ultraviolettstrahlung (UV), die beim Menschen nicht nur zum Sonnenbrand führen, sondern auch Schädigungen der Haut bis hin zum Hautkrebs auslösen kann. Wir könnten nicht überleben, gäbe es kein Ozon in der Stratosphäre.

Die Reaktionsfreudigkeit des Ozons führt jedoch auch zu chemischen Reaktionen mit anderen Spurengasen in der Stratosphäre, wobei ein Teil des Ozons zerstört wird. Die meisten Spurengase sind dabei menschlichen Ursprungs, beispielsweise Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW). Die Folgen sind bekannt: Es sind jahreszeitlich variierende Löcher in der Ozonschicht, die zu unabsehbaren Folgen für die Menschheit führen können.

MIPAS: Das Instrument, das wertvolle Ozondaten liefert
Der Erforschung und Überwachung der Gaskonzentrationen sowie der chemischen Reaktionen in der Stratosphäre kommt deshalb eine besondere Bedeutung zu. Eines der modernsten und komplexesten Forschungsinstrumente ist das Michelson Interferometer MIPAS auf dem ESA-Umweltsatelliten Envisat.

Das von der deutschen Astrium GmbH entwickelte und gebaute Messgerät liefert Tag und Nacht Daten über die Infrarot-Emission von bis zu 30 Spurengasen, aus denen die Wissenschaftler Rückschlüsse auf die chemischen Prozesse sowie den Transport in der Stratosphäre ziehen können. Gegenwärtig kann das ESA-Zentrum zur Auswertung der von Envisat gelieferten Messreihen allerdings nur für einen Teil der Spurengase die Daten an die Anwender ausliefern. Diese Daten müssen mittels mathematischer Algorithmen studiert und aufbereitet werden. Durch die Komplexität atmosphärischer Vorgänge kommt es zu einer erheblichen Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt der Messungen einerseits und dem Vorliegen aussagefähiger Informationen andererseits.

Ozonvorhersage für eine Woche
Wissenschaftler des in Brüssel ansässigen belgischen Institute for Space Aeronomy haben deshalb einen Service entwickelt, der im Internet den interessierten Fachleuten nicht nur kurzfristige Vorhersagen zur Ozonkonzentration, sondern auch von weiteren 56 Spurengasen sowie deren Einfluss auf die Ozonschicht bietet. Der neue Dienst heißt BASCOE – Belgian Assimilation System of Chemical Observations from Envisat.

Die interessierten Nutzer erhalten wöchentliche Vorhersagen der Ozondichte sowie Karten mit der Verteilung von Stickstoff- und Chlorverbindungen, die an der Zerstörung der Ozonschicht beteiligt sind.

Die Forscher am BIRA-IASB haben dafür eine sehr komplexe Software erarbeitet, die ungefähr 50.000 Zeilen Code enthält. Auf der Basis der MIPAS-Daten ermittelt das Computer-Modell, das die chemischen Prozesse in der Stratosphäre simuliert, die Konzentration und Verteilung weiterer Spurengase. Der große Fortschritt besteht in der Verfügbarkeit der Ergebnisse innerhalb eines Tages.

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Grundlagen der Fernbeobachtung
Alle Beobachtungsinstrumente an Bord von ENVISAT kann man zunächst einmal als Empfänger beschreiben, die von der Erde ausgehende Strahlung verschiedener Wellenlängen registrieren. Sie nutzen den Umstand aus, dass alle Objekte und Prozesse auf der Erde – und natürlich auch in der Erdatmosphäre – elektromagnetische Strahlung mit verschiedensten Wellenlängen und Frequenzen aussenden, absorbieren oder reflektieren. Bei diesem Vorgang werden der elektromagnetischen Strahlung „Fingerabdrücke“ in Form von spektralen Absorptions- oder Emissionslinien aufgeprägt, die für jedes Objekt und jeden Prozess charakteristisch sind. Ein Beispiel: Die Blätter von Pflanzen absorbieren („schlucken“) das gesamte sichtbare Licht mit Ausnahme des von uns als „grün“ bezeichneten Anteils – weshalb wir ihre Farbe als „grün“ wahrnehmen. Aus dem Absorptionsspektrum eines pflanzlichen Blattes lässt sich sogar erkennen, ob die Pflanze an Trockenheit leidet, da sich dann dieses Spektrum geringfügig verändert. Eine genauere Beschreibung der so genannten Spektralanalyse, mit der die spektralen „Fingerabdrücke“ registriert werden können, finden Sie in unserem Artikel zu diesem Thema.
 
Die meisten Instrumente an Bord von ENVISAT analysieren sichtbares Licht sowie das so genannte „Nahe Infrarot“ (der sich am roten Ende des sichtbaren Lichts anschließende Wellenbereich) und Mikrowellen. Die Messung der infraroten Strahlung erlaubt zum Beispiel Aussagen über die Temperatur der Erdoberfläche sowie von verschiedenen Schichten der Atmosphäre.
 
Die Beobachtungsinstrumente lassen sich in aktive und passive Instrumente unterteilen. Während die passiven Instrumente einfach die von der Erdoberfläche bzw. Atmosphäre kommende Strahlung registrieren, senden aktive Instrumente Strahlungspulse aus und registrieren anschließend die dadurch ausgelösten Reflektionen. ENVISAT hat Instrumente beider Typen an Bord.
 
Instrumente zur Atmosphärenbeobachtung
Vier der wissenschaftlichen Beobachtungsinstrumente an Bord von ENVISAT sind ausschließlich oder teilweise für die Beobachtung von Zuständen und Prozessen in unserer Atmosphäre verantwortlich.
Da ist zum einen MERIS („Medium Resolution Imaging Spectrometer“), mit dessen Hilfe unter anderem Daten über die Wolkenbildung und die Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre gewonnen werden können. Auch das Ausmaß des von Wolken reflektierten Sonnenlichts im sichtbaren und infraroten Bereich des Wellenspektrums wird von MERIS bestimmt.
 
Das Instrument GOMOS („Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars“) nutzt das Licht von über dem Horizont aufgehenden Sternen, um durch Analyse des Lichtspektrums nach dem Durchgang durch die Erdatmosphäre Aussagen über den Gehalt von Ozon und Wasserdampf treffen zu können. Diese Messungen sind in Höhenschichten von 20 bis 200 km möglich und erlauben in Zusammenarbeit mit anderen ENVISAT-Instrumenten dreidimensionale Abbildungen der Ozonschicht.
 
Der „Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding“ (MIPAS) arbeitet im infraroten Spektralbereich und ist in der Lage, verschiedenste Spurengase zu erkennen und unterscheiden. Diese Fähigkeit ermöglicht es, sowohl die Verteilung und Konzentration von Industrieabgasen wie auch von Treibhausgasen zu ermitteln. Die Informationen über chemische und physikalische Prozesse in der Stratosphäre sind auch für Prognosen über die zukünftige Entwicklung der Ozonschicht von Bedeutung.
 
Das vierte und letzte Instrument, welches die Atmosphäre als Untersuchungsgegenstand zum Ziel hat, ist das größtenteils in Deutschland entwickelte und gebaute SCIAMACHY („Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography„). Dieser leistungsfähige Atmosphären-Sensor nimmt Messungen sowohl in einem bis zu 960 km breiten Streifen direkt unter ENVISAT wie auch in Richtung des Horizonts vor. Die annährend simultane Kombinationen dieser Beobachtungsmodi ermöglicht es, im Zeitverlauf ein dreidimensionales Bild der Atmosphäre zu erstellen. Dabei kann SCIAMACHY in Höhenschichten von bis zu 100 km verschiedenste chemische Moleküle, Aerosole und Wolken registrieren. Dadurch soll das Wissen über Austauschprozesse zwischen den verschiedenen Atmosphärenschichten erweitert werden wie auch neue Daten über die Dotierung der einzelnen Atmosphärenschichten mit Spurengasen gewonnen werden. Auch die Auswirkung natürlicher Ereignisse auf die Atmosphäre (wie Vulkanausbrüche oder Veränderungen der Sonnenaktivität) können mit Hilfe dieses Instruments studiert werden.

Der Beitrag ENVISAT: Atmosphärenbeobachtung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.