Quelle: ESA/Applications/Observing the Earth/Copernicus/Sentinel-4, 21. Oktober 2025

Das im Juli 2025 gestartete Ultraviolett-Sichtbar-Nahinfrarot-Spektrometer Sentinel-4 ist auf dem ersten Meteosat-Satelliten der dritten Generation untergebracht. Diese Dual-Mission-Architektur ermöglicht eine effiziente Nutzung des Satelliten, indem sie meteorologische und atmosphärische Zusammensetzungsüberwachungsfunktionen auf einer einzigen Plattform kombiniert.
Das Sentinel-4-Spektrometer befindet sich noch in der Inbetriebnahmephase für seine Betriebsdauer – daher sind die ersten Bilder, die unten zu sehen sind, nur ein erster Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird. Sentinel-4 misst das von der Erdoberfläche und der Atmosphäre reflektierte Sonnenlicht und ermittelt dabei die spektralen Signaturen oder „Fingerabdrücke“ von Spurengasen und Aerosolen in der Atmosphäre. Im Gegensatz zu anderen Satellitensensoren, die die Erde in geringerer Höhe von Pol zu Pol umkreisen, arbeitet Sentinel-4 in einer geostationären Umlaufbahn und beobachtet kontinuierlich dieselbe Region – Europa und Nordafrika – von einer festen Position aus.

Diese Animation zeigt, wie das Ultraviolett-, Sichtbar- und Nahinfrarot-Spektrometer (UVN) von Copernicus Sentinel-4, das auf dem Satelliten Meteosat Third Generation Sounder (MTG-S1) montiert ist, Stickstoffdioxid über Europa und Nordafrika beobachten kann (NO2-Daten freundlicherweise zur Verfügung gestellt von CAMS). Stickstoffdioxid ist ein Spurengas, das in unserer Atmosphäre entsteht, wenn fossile Brennstoffe verbrannt werden. Das UVN-Spektrometer an Bord von MTG-S1 umkreist die Erde in einer geostationären Umlaufbahn. Es ist die erste Mission zur Überwachung der Luftqualität in Europa aus dieser Umlaufbahn, was bedeutet, dass es seine Position – 36 000 km von der Erdoberfläche entfernt – über dem Äquator beibehält, während sich die Erde dreht. Das Instrument misst das von der Erdoberfläche und der Atmosphäre reflektierte Sonnenlicht sowie das direkt von der Sonne kommende Licht. Wenn Licht durch die Atmosphäre dringt, hinterlassen Spurengase eine Signatur oder einen „Fingerabdruck“ auf dem Licht, das den Satelliten erreicht. Diese Signaturen werden vom UVN-Spektrometer aufgelöst und zur Abschätzung der Menge der in der Atmosphäre vorhandenen Spurengase genutzt.

Von diesem Beobachtungspunkt aus kann Sentinel-4 jede Stunde dieselbe Region scannen und nahezu in Echtzeit Aktualisierungen zu wichtigen Bestandteilen der Atmosphäre liefern.
Ben Veihelmann, Wissenschaftler der Sentinel-4-Mission der ESA, sagte: „Sentinel-4 ist die erste europäische Mission, die stündliche Beobachtungen der Luftqualität liefern wird. Durch die Erfassung schneller Veränderungen der Luftverschmutzung ist Sentinel-4 ein Meilenstein für die Überwachung und Vorhersage der Luftqualität über Europa.“
Sobald das Instrument betriebsbereit ist, wird es regelmäßig die Konzentrationen von Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid, Ozon, Formaldehyd, Glyoxal und Aerosolen kartieren. Diese Daten werden in den Copernicus-Atmosphärenüberwachungsdienst eingespeist.
In der Zwischenzeit hat die Mission bereits einige Datensätze geliefert, die alle auf den ersten Messungen vom 8. Oktober basieren.

Didier Martin, Projektleiter für Sentinel-4 bei der ESA, sagte: „Wir sind sehr glücklich über diese ersten vorläufigen Ergebnisse, und mein Dank gilt allen, die an dieser Mission beteiligt sind.
„Zunächst einmal, und das ist wohl das Wichtigste, bestätigen sie, dass Sentinel-4 in gutem Zustand ist und dass die Kalibrierung und die Datenverarbeitungsketten auf dem richtigen Weg sind. Das bedeutet im Wesentlichen, dass es auf dem besten Weg ist, Europas erste Mission zu werden, die sich der stündlichen Messung von Luftschadstoffen auf dem gesamten Kontinent widmet.“
Das erste Bild (im Banner und oben) zeigt troposphärisches Stickstoffdioxid mit deutlichen Verschmutzungs-Hotspots entlang der Mittelmeerküste und über der italienischen Poebene.
Es ist zu beachten, dass Sentinel-4 kein Stickstoffdioxid über bewölkten Gebieten messen kann, weshalb das Bild in bestimmten Bereichen der Karte keine Konzentrationen anzeigt. Das Bild auf der rechten Seite zeigt die Wolkenbedeckung zum Zeitpunkt der Aufnahme.
Als wichtiger Luftschadstoff, der bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, beispielsweise in Fahrzeugmotoren, Kraftwerken und Heizungsanlagen, freigesetzt wird, kann sich die Konzentration von Stickstoffdioxid schnell ändern. Es ist nicht nur selbst giftig, sondern trägt auch zur Bildung sekundärer Schadstoffe wie Ozon und Feinstaub bei, die beide schwerwiegende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt haben.
Dieses Bild wurde mit Beiträgen des Instituts für Umweltphysik der Universität Bremen und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt erstellt.

Das zweite Bild zeigt die vertikale Säulendichte von Schwefeldioxid. Eine deutliche Wolke ist zu sehen, die aus dem Ätna in Italien aufsteigt und über das Meer in südöstlicher Richtung driftet. Während der Ätna derzeit relativ ruhig ist, werden in Zeiten erhöhter vulkanischer Aktivität in der Regel viel größere Wolken beobachtet.
Neben den natürlichen Emissionen von Vulkanen wird Schwefeldioxid auch durch menschliche Aktivitäten freigesetzt, insbesondere durch Schiffe, die hochschwefelhaltige Kraftstoffe verbrennen, und durch Kraftwerke, die Braunkohle verwenden. Schwefeldioxid ist an sich giftig und trägt zur Bildung sekundärer Schadstoffe wie Feinstaub bei, die erhebliche Gesundheits- und Umweltrisiken darstellen.
Dieses Bild wurde mit Beiträgen des Königlich-Belgischen Instituts für Weltraum-Aeronomie und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt bearbeitet.

Das dritte Bild zeigt eine vertikale Ozonsäule. Während Ozon in der Stratosphäre eine wichtige Rolle beim Schutz des Lebens auf der Erde vor schädlicher UV-Strahlung spielt, wirkt Ozon in der unteren Atmosphäre als Schadstoff, der zu schlechter Luftqualität und Atemwegsproblemen beiträgt.
Die Ozonwerte liegen hier insgesamt im erwarteten Bereich. Die großräumige Verteilung mit einem Maximum über dem Balkan und Griechenland und einem Minimum über dem Baltikum stimmt mit den Mustern überein, die am selben Tag von älteren Instrumenten wie GOME-2 auf den MetOp-Satelliten und Tropomi auf dem Sentinel-5-Precursor-Satelliten erfasst wurden.
Dieses Bild wurde mit Beiträgen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt verarbeitet.

Das letzte Bild, das Europa und einen Teil Nordafrikas zeigt, basiert auf den ersten von Sentinel-4 gemessenen Strahlungsspektren der Erde. Die Messungen wurden in Falschfarben verarbeitet, wobei Rot, Grün und Blau zugewiesen wurden, und zeigen wie erwartet Land, Ozeane und Wolken.
Simonetta Cheli, Direktorin der Erdbeobachtungsprogramme der ESA, sagte: „Wir sind sehr stolz darauf, gemeinsam mit unseren wichtigsten Partnern – der Europäischen Kommission und Eumetsat – sowie unseren engagierten Teams aus der Industrie zu dieser wichtigen Mission beitragen zu können. Dies ist ein eindrucksvoller Beweis für die Kraft der Zusammenarbeit.
Die Mission befindet sich noch in der Inbetriebnahmephase, aber diese ersten Ergebnisse zeigen deutlich, dass alles gut funktioniert. Diese ersten Einblicke sind äußerst ermutigend.
Wir freuen uns nun darauf, dass Copernicus Sentinel-4 in den kommenden Monaten voll einsatzfähig wird und dass seine Daten die Bewertung der Luftqualität verbessern und wichtige Informationen für die Vorhersage von Umweltverschmutzungen liefern werden.“

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• MTG-S1 mit Sentinel-4 auf Falcon 9 (B1085.9)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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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.

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

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• AstroGeo Podcast
• 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: Universität Bern 24. Juli 2024.

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

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

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

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

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

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

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

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• Klimawandel

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Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt. 27. Februar 2024.

27. Februar 2024 – Es ist Segen und Fluch zugleich: Weit oben in der Stratosphäre schützt Ozon die Erde vor übermäßiger UV-Einstrahlung, aber weiter unten ist es eine Gefahr für die Gesundheit der Menschen und für das Klima. Es bildet sich, wenn Schadstoffe wie etwa Stickoxide in der Luft mit Sonnenlicht wechselwirken. In hohen Konzentrationen reizt Ozon bei Menschen die Atemwege. Für das Klima wirkt es als schädliches Treibhausgas. Es ist daher immens wichtig, die Ozonkonzentration mit präzisen Messverfahren feinmaschig zu kontrollieren. Dazu wird die agile Zusammenarbeit zwischen Behörden, wie sie heute von vielen Bürgerinnen und Bürgern gewünscht wird, großgeschrieben: Dem Umweltbundesamt (UBA) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gelingt diese gemeinsame Qualitätssicherung der Ozonmessungen bereits seit 20 Jahren. Eine Erfolgsgeschichte, die immer wieder neue Herausforderungen meistert, wie die Experten in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts Gefahrstoffe berichten.

Ozon ist eigentlich ein Sommergas. Es bildet sich umso mehr, je intensiver die Sonne scheint. „So gesehen liegt das 20-jährige Jubiläum der Zusammenarbeit von PTB und UBA in der falschen Jahreszeit“, scherzt Jantje Kalin vom Geschäftsführungsteam des PTB-Innovationsclusters Umwelt und Klima der PTB. „Doch es ist wichtig, jetzt schon darauf hinzuweisen, dass Ozonmessungen zukünftig noch genauer werden und Ozon mit seinen schädlichen Wirkungen dadurch wieder öfter in den Fokus der Öffentlichkeit rücken könnte.“

Der Hintergrund: Der sogenannte Absorptionsquerschnitt von Ozon ist schon vor einigen Jahren neu vermessen worden. Er wird nun demnächst in alle Ozonmessungen eingehen, sodass diese genauer, aber damit auch höher werden. Der Absorptionsquerschnitt ist ein Maß für die Stärke einer Wechselwirkung zwischen Strahlung und Teilchen. In diesem konkreten Fall geht es um Ozonteilchen und die Strahlung, die bei ihrer Messung eingesetzt wird: In einem Photometer wird UV-Licht durch eine Absorptionszelle mit ozonhaltiger Luft geschickt. Die Ozonteilchen absorbieren Licht – je mehr Teilchen, desto mehr Absorption.

Durch die neue, metrologische Vermessung des Absorptionsquerschnitts werden die Messungen des Ozons genauer. Olav Werhahn, ebenfalls vom Geschäftsführungsteam des PTB-Innovationsclusters Umwelt und Klima, ergänzt: „Die Einführung des neuen Wertes zum 1. Januar 2025 wird dazu führen, dass sich weltweit alle Ozonmesswerte, die mittels Standard-Referenzphotometern bestimmt werden, schlagartig um 1,3 % nach oben ändern. Das kann zur Folge haben, dass die Grenzwerte häufiger überschritten werden.“

Dann könnte es im Sommer wieder öfter heißen: Vorsicht vor zu hohen Ozonwerten! Bitte möglichst keinen Sport im Freien treiben! Laut UBA haben die Ozon-Spitzenwerte in den letzten Jahren zwar etwas abgenommen – allerdings bei höherer Dauerbelastung. „Wenn die Grenzwerte jetzt wieder häufiger überschritten werden, tritt die Belastung durch Ozon wieder mehr ins Bewusstsein der Bevölkerung. Dies finde ich sehr wichtig, denn mit dem Bewusstsein des hohen Risikos von Ozon für die Gesundheit kann dagegen auch mehr getan werden“, erklärt Jantje Kalin. „Darum sind hochgenaue Messungen so wichtig.“
Zusammen sorgen PTB und UBA dafür, dass die Überwachung der Luftqualität in Deutschland auf einer sicheren Basis ruht. „Die Zusammenarbeit verbessert die kontinuierlichen Prüfungen der vielen entsprechenden Ozon-Messgeräte der Länder, aber auch derjenigen, die in der Industrie im Einsatz sind. Und es kommt allen Messungen weltweit zugute, denn die Referenzgeräte von PTB und UBA bringen ihre Messqualität über sogenannte Ringvergleiche in viele Länder auf allen Kontinenten“, erklärt Olav Werhahn. Das Ziel ist es, die internationale Vergleichbarkeit und die hohen Qualitätsanforderungen, wie sie in der Klimabeobachtung gebraucht werden, überall zu garantieren. Die Ergebnisse solcher Vergleiche werden vom Internationalen Büro für Maße und Gewicht (BIPM) veröffentlicht. Damit tragen die beiden Ozon-Standard-Referenzphotometer Deutschlands federführend zur Sicherstellung der Qualität internationaler Ozon-Messungen bei.

Für die PTB haben die Standard-Referenzphotometer darüber hinaus eine besondere Bedeutung. Als Gerätestandard sind sie ein Vorbild für die Entwicklung neuer optischer Gasstandards. Diese benötigen in Zukunft keine Vorkalibrierung mehr mit einem Referenzgas, sondern stützen sich wie die Ozon-Standards nur noch auf Spektraldaten sowie Messungen von Gasdruck und Gastemperatur. „Messgeräte wie die Ozon-Referenzphotometer sind die Zukunft für genaue Gasmessungen“, sagt Olav Werhahn. „Und diese werden für die Messung von Gasen immer wichtiger“.

PTB-Innovationscluster Umwelt und Klima
Sinnvolles Handeln braucht vertrauenswürdige, also qualitätsgesicherte Daten. Wer verlässliche Aussagen über Ökosysteme oder Klimaveränderungen machen will, braucht genaue Messungen. Die PTB ermöglicht solche Messungen in einzigartiger Genauigkeit und macht sie weltweit vergleichbar. Ihr Innovationscluster Umwelt und Klima ist eines von sechs übergreifenden Clustern, die die großen Fragen der Gegenwart und Zukunft im Blick haben.

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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: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 18. April 2023

Sterne, die vergleichsweise große Mengen schwerer Elemente enthalten, bieten ungünstigere Bedingungen für das Entstehen komplexen Lebens als metallarme Sterne. Zu diesem Ergebnis kommt eine internationale Gruppe von Forscherinnen und Forschern der Max-Planck-Institute für Sonnensystemforschung (Göttingen) und für Chemie (Mainz) sowie der Universität Göttingen. Das Team hat gezeigt, in welchem Zusammenhang die Metallizität eines Sterns steht zu der Fähigkeit seiner Planeten, eine schützende Ozonschicht aufzubauen. Entscheidend dafür ist die Intensität des ultravioletten Lichts, das der Stern ins All abstrahlt, in verschiedenen Wellenlängenbereichen. Die Studie, die heute in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlich wurde, liefert Forschenden, die den Himmel mit Weltraumteleskopen nach bewohnbaren Sternsystemen durchforsten, wichtige Hinweise, wo die Suche besonders erfolgversprechend sein könnte. Zudem legt sie einen verblüffenden Schluss nahe: Mit zunehmendem Alter wird das Universum ein Ort, der für die Entstehung von Leben auf neuen Planeten immer unfreundlicher wird.

Auf der Suche nach bewohnbaren oder gar bewohnten Planeten, die um ferne Sterne kreisen, beschäftigen sich Forschende seit einigen Jahren zunehmend mit den Gashüllen dieser Welten. Lassen sich in Beobachtungsdaten Hinweise auf eine Atmosphäre finden? Enthält diese vielleicht sogar Gase wie Sauerstoff oder Methan, die auf der Erde fast ausschließlich als Stoffwechselprodukte von Lebewesen entstehen? In den nächsten Jahren werden solche Untersuchungen in völlig neue Bereiche vorstoßen: Das James-Webb-Teleskop der NASA wird es nicht nur ermöglichen, die Atmosphären großer Gasriesen wie Super-Neptune zu charakterisieren, sondern auch erstmals die viel schwächeren spektrographischen Signale von Gesteinsplanetenatmosphären zu analysieren.

Die aktuelle Studie wendet sich mit Hilfe von Modellrechnungen dem Ozongehalt von Exoplaneten-Atmosphären zu. Wie auf der Erde kann diese Verbindung aus drei Sauerstoffatomen die Planetenoberfläche (und Lebensformen, die sich auf ihr aufhalten) vor zellschädigender ultravioletter (UV-)Strahlung schützen. Eine Hülle aus Ozon ist somit eine wichtige Voraussetzung für das Entstehen komplexen Lebens. „Wir wollten verstehen, welche Eigenschaften ein Stern mitbringen muss, damit seine Planeten eine schützende Ozonschicht ausbilden können“, erklärt MPS-Wissenschaftlerin Dr. Anna Shapiro, Erstautorin der aktuellen Studie, den Grundgedanken.

Wie oft in der Wissenschaft wurde auch diese Fragestellung durch die Ergebnisse einer früheren Studie angestoßen. Vor drei Jahren hatten Forschende unter der Leitung des MPS die Helligkeitsschwankungen der Sonne mit denen hunderter sonnenähnlicher Sterne verglichen. Das Ergebnis: Die Intensität des sichtbaren Lichts vieler dieser Sterne schwankt viel stärker als die der Sonne. „Wir haben riesige Intensitätsspitzen gesehen“, sagt Dr. Alexander Shapiro, der sowohl an den Analysen von vor drei Jahren als auch an der aktuellen Studie beteiligt war. „Es ist also durchaus möglich, dass auch die Sonne zu solchen Intensitätsspitzen fähig ist. In diesem Fall würde auch die Intensität des ultravioletten Lichts dramatisch ansteigen“, fügt er hinzu. „Da haben wir uns natürlich gefragt, was das für das Leben auf der Erde bedeuten würde und wie die Situation in anderen Sternensystemen ist“, sagt Prof. Dr. Sami Solanki, Direktor am MPS und ebenfalls Koautor beider Studien.

UV-Strahlung als Fluch und Segen
An der Oberfläche etwa der Hälfte aller Sterne, um die nachweislich Exoplaneten kreisen, herrschen Temperaturen zwischen etwa 5000 und etwa 6000 Grad Celsius. Die Forschende wandten sich in ihren Rechnungen deshalb dieser Untergruppe zu. Mit einer Oberflächentemperatur von etwa 5500 Grad Celsius gehört ihr auch die Sonne an. „In der Atmosphärenchemie der Erde kommt der ultravioletten Strahlung von der Sonne eine zweifache Rolle zu“, erklärt Dr. Anna Shapiro, die sich vor ihrer Zeit am MPS vor allem mit dem Einfluss der Sonnenstrahlung auf die Erdatmosphäre beschäftigt hatte. In Reaktionen mit einzelnen Sauerstoffatomen und Sauerstoffmolekülen kann Ozon sowohl entstehen, als auch vernichtet werden. Während die langwellige UV-B-Strahlung Ozon zerstört, trägt die kurzwellige UV-C-Strahlung dazu bei, dass in der mittleren Atmosphäre schützendes Ozon entstehen kann. „Es war daher naheliegend anzunehmen, dass ultraviolettes Licht einen ähnlich komplexen Einfluss auch auf die Atmosphären von Exoplaneten haben könnte“, fügt die Astronomin hinzu.

Die Forschenden berechneten deshalb, genau aus welchen Wellenlängen sich das ultraviolette Licht, dass die Sterne abstrahlen, zusammensetzt. Dabei betrachteten sie erstmals auch den Einfluss der Metallizität. Diese Eigenschaft beschreibt, in welchem Verhältnis Wasserstoff und schwerere Elemente (von Astrophysikern vereinfachend und etwas irrführend als Metalle bezeichnet) im Baumaterial des Sterns vorliegen. Im Fall der Sonne kommen auf ein Eisenatom mehr als 31.000 Wasserstoffatome. Die Studie berücksichtigt auch Sterne mit geringerem und höherem Eisenanteil.

In einem zweiten Schritt ging das Team der Frage nach, wie sich die berechnete UV-Strahlung auf die Atmosphäre von Planeten auswirken würde, die in einem lebensfreundlichen Abstand um diese Sterne kreisen. Als lebensfreundlich gelten solche Abstände, die moderate Temperaturen – weder zu heiß noch zu kalt – an der Planetenoberfläche zulassen. Für solche Welten simulierte das Team am Computer, welche Prozesse genau das charakteristisch zusammengesetzte UV-Licht des Muttersterns in der Planetenatmosphäre in Gang setzt.

Um die Zusammensetzung von Planetenatmosphären zu berechnen, verwendeten die Forschenden ein Chemie-Klima-Modell. Es simuliert die Prozesse, die Sauerstoff, Ozon und viele andere Gase steuern, sowie deren Wechselwirkung mit ultraviolettem Licht von Sternen in sehr hoher spektraler Auflösung. Dieses Modell machte es möglich, eine Vielzahl von Bedingungen auf Exoplaneten zu untersuchen und mit der Historie der Erdatmosphäre in der letzten halben Milliarde Jahre zu vergleichen. In diesem Zeitraum bildeten sich der hohe Sauerstoffgehalt der Atmosphäre und die Ozonschicht, die die Entwicklung des Lebens an Land auf unserem Planeten ermöglichten. „Es ist vorstellbar, dass die Geschichte der Erde und ihrer Atmosphäre Hinweise auf die Entwicklung des Lebens enthält, die auch auf Exoplaneten zutreffen könnten“, sagt Jos Lelieveld, geschäftsführender Direktor des MPI für Chemie, der an der Studie beteiligt war.

Aussichtsreiche Kandidaten
Das Ergebnis überraschte. Zwar strahlen metallarme Sterne insgesamt mehr UV-Strahlung ab als metallreiche. Doch auch das Verhältnis von ozon-erzeugender UV-C-Strahlung und ozon-vernichtender UV-B-Strahlung hängt kritisch von der Metallizität ab: Bei metallarmen Sternen überwiegt die UV-C-Strahlung, so dass eine dichte Ozonschicht entstehen kann. Bei metallreichen Sternen mit ihrer überwiegenden UV-B-Strahlung fällt diese schützende Hülle deutlich dürftiger aus.

„Anders als erwartet, dürften somit metallarme Sterne günstigere Bedingungen für die Entstehung von Leben bieten“, fasst Dr. Anna Shapiro zusammen. Diese Erkenntnis könnte hilfreich sein für künftige Weltraummissionen wie die PLATO-Mission der ESA, die eine riesige Anzahl von Sternen nach Anzeichen bewohnbarer Exoplaneten durchforsten sollen. Mit 26 Teleskopen an Bord startet die gleichnamige Sonde 2026 ins All und wird ihr Augenmerk in erster Linie auf erdähnliche Planeten richten, die sonnenähnliche Sterne in einem lebensfreundlichen Abstand umkreisen. Das Datenzentrum der Mission entsteht derzeit am MPS. „Unsere aktuelle Studie gibt uns wertvolle Hinweise, welche Sterne wir mit besonderer Aufmerksamkeit beobachten sollten“, so Prof. Dr. Laurent Gizon, Geschäftsführender Direktor des MPS und Ko-Autor der aktuellen Studie.

Paradoxe Schlussfolgerung
Zudem ergibt sich aus der Studie eine geradezu paradox anmutende Schlussfolgerung: Mit zunehmendem Alter dürfte das Universum immer lebensfeindlicher werden. Metalle und andere schwere Elemente entstehen im Innern von Sternen am Ende ihres mehrere Milliarden Jahre währenden Lebens und werden – je nach Masse des Sterns – als Sternwind oder bei einer Supernova-Explosion ins All abgegeben: der Baustoff für die nächste Sterngeneration. „Jedem neu entstehenden Stern steht deshalb metallreicheres Baummaterial zur Verfügung als seinen Vorgängern. Die Sterne im Universum werden von Generation zu Generation immer metallreicher“, so Dr. Anna Shapiro. Gemäß der neuen Studie sinkt somit mit zunehmendem Alter des Universums auch die Wahrscheinlichkeit, dass Sternsysteme Leben hervorbringen. Aussichtslos ist die Suche nach Leben jedoch nicht. Schließlich haben viele Wirtssterne von Exoplaneten ein ähnliches Alter wie unsere Sonne. Und von diesem Stern ist ja bekannt, dass er durchaus komplexe und interessante Lebensformen auf mindestens einem seiner Planeten beherbergt.

Originalveröffentlichung
A. Shapiro et al.: Metal-rich stars are less suitable for the evolution of life on their planets. Nature Communications, 18. April 2023

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• Sternentwicklung

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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: 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

Der Beitrag Ozonabbau über Nordpol verursacht Wetteranomalien erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

Das Ozonloch über der Antarktis war Anfang Dezember so groß wie noch nie zu dieser Zeit. Es nahm eine Fläche von etwa 18 Millionen Quadratkilometern ein. Damit überragte es die Landfläche der gesamten Antarktis (etwa 14 Millionen Quadratkilometer) erheblich. Es handelt sich um das extremste Ausmaß für diese Jahreszeit in den letzten 41 Jahren. Seitdem erfassen die Atmosphärenforscher im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Daten. Eigentlich sollte das Ozonloch über der Südhalbkugel im Dezember schon so gut wie verschwunden sein. Denn in der Antarktis beginnt der Sommer: Mit dem Sonnenschein am Polartag ändern sich normalerweise die Druck- und Windverhältnisse, die das Ozonloch spätestens Anfang November in sich zusammenfallen lassen.

Aber nicht in diesem Jahr, wie die Wissenschaftler im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR festgestellt haben. Die Ausprägung des Ozonlochs über dem Südpol wird durch einen polaren Wirbel bestimmt, der vom Boden aus 50 Kilometer hoch in die Stratosphäre reicht. „Man kann sich diesen Wirbel als ein großes Tiefdruckgebiet in der Stratosphäre vorstellen“, erklärt Lisa Küchelbacher vom DFD. „Ein sehr starker Westwind am Rand des polaren Wirbels verhindert in der Kälte der Polarnacht größtenteils den Luftmassenaustausch zwischen Äquator und Pol.“ Wenn im Frühling am Südpol langsam die Sonne aufgeht und Energie liefert, beginnt der Ozonabbau im polaren Wirbel durch eine chemische Reaktion. Mit zunehmender Wärme lässt der Westwind nach. Letztlich kehren sich die Windverhältnisse um und das Ozonloch wird kleiner. „Die Umstellung von West- auf Ostwindsystem hat erst sehr spät stattgefunden“, sagt Lisa Küchelbacher. „Möglicherweise lag dies an der diesmal ungewöhnlich starken Ausbildung des polaren Wirbels auf der Südhalbkugel.“

Planetare Wellen zu schwach
Die Ursache dafür ist wiederum eine Schwäche der sogenannten planetaren Wellen. Diese sorgen in der Stratosphäre für den Luftaustausch zwischen den Polargebieten und den mittleren Breiten. Sie lassen den polaren Wirbel schwanken und beeinflussen den Wind. Wegen der geringen Aktivität der Wellen blieb der polare Wirbel aber kreisrund über dem Südpol. Erst ab dem 5. Dezember nahm die Aktivität der Wellen zu, was nun einen Wechsel auf die südpolaren Sommerbedingungen eingeleitet hat.

Was hat der Pazifik mit dem Ozonloch zu tun?
Möglicherweise beeinträchtigt eine besondere Situation im Pazifik die planetaren Wellen: In Äquatornähe spielt sich die El-Niño-Southern-Oscillation (ENSO) ab, die alle drei bis sieben Jahre weltweit die Dynamik beeinflusst. Der Mechanismus ist zurückzuführen auf eine Kopplung zwischen Ozean und Atmosphäre. Die Oberfläche des Pazifiks ist vor der Westküste Lateinamerikas gerade besonders kalt. Das heißt, der Ozean liefert wenig Energie für die planetaren Wellen. „Es könnte also sein, dass der polare Wirbel in der südhemisphärischen Stratosphäre auch durch den Einfluss von ENSO so stabil war. Das kann die Ausbildung des Ozonlochs besonders begünstigt haben“, erklärt Lisa Küchelbacher.

Im Frühjahr 2020 gab es auf der Nordhalbkugel ebenfalls einen außergewöhnlich starken und stabilen Polarwirbel: Auch im März wurden Rekordwerte gemessen. Ob ein Zusammenhang mit den aktuellen Werten über der Antarktis besteht, ist noch unklar.

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• DLR: Ozonloch in der Arktis (25. März 2020)

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• Ozonloch

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Ein Beitrag von Mirko Buggel. Quelle: ESA, Roskosmos.

ESA und Roskosmos meldeten Ende Juli 2020 überraschende Messergebnisse von Bord der russisch-europäischen Sonde ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). Mit Hilfe des hochempfindlichen Spektrometers ACS (Atmospheric Chemistry Suite) wurden Kohlendioxid CO₂ und Ozon O₃ in dem Bereich des Infrarotspektrums nachgewiesen, wo man eigentlich Methan erwartete. Grundlage ist die Auswertung der Daten eines Marsjahres. Das ist etwa seit Beginn der Arbeit im Marsorbit seit Frühling 2018.

Der TGO war am 14. März 2016 vom russischen Kosmodrom im kasachischen Baikonur mit einer Proton-Rakete gestartet. Während der TGO am 19. Oktober 2016 wie geplant die Bahn um den Mars erreichte, konnte mit der später abgesetzten Landesonde Schiaparelli kein Kontakt hergestellt werden. Mit dieser sollten Landetechniken auf dem Mars für spätere Missionen erprobt werden.

Hauptziel der ExoMars-TGO-Mission ist die Suche nach Spurengasen mit biologischer Signifikanz wie Methan und seine Zersetzungsprodukte. Die Apparaturen des Orbiters sollen es ermöglichen, Ort und Natur von Quellen zu bestimmen, welche diese Gase produzieren. Weiterhin sollen Schlüsseltechnologien getestet werden.

Das im russischen Institut für Weltraumforschung der Akademie der Wissenschaften entwickelte Spektrometer ACS ist eines von vier wissenschaftlichen Instrumenten des TGO und besteht aus dem Fourier-Spektrometer (TIRVIM) für den thermischen Infrarot-Bereich und den Echelle-Spektrometern für den mittleren (MIR) und den nahen (NIR) Infrarotbereich sowie aus einer elektronischen Steuereinheit.

Mit dem Spektrometer MIR wurde eine in der Planetenfernerkundung bewährte Methode angewandt. Aus dem Modus „Sonnenfinsternis“, d.h. der Mars „bedeckt“ die Sonne, analysiert der Apparat das Sonnenlicht, welches am Planetenrand durch die Atmosphäre hindurch schimmert. Dabei absorbieren die verschiedenen atmosphärischen Bestandteile die Sonnenstrahlung und erscheinen im Spektralbild als sogenannte Absorptionsbande. Dort hinterlässt jeder Stoff seinen unverwechselbarer „Fingerabdruck“ im Spektrum. Außerdem kann eine Substanz derselben chemischen Formel mehrere Absorptionsbande haben. Das zeugt von Unterschieden im Molekülaufbau oder verschiedener Isotopenzusammensetzung. Im untersuchten Infrarotbereich von 3,3 µm erwarteten die Forscher Methan. Jedoch zeigten sich Spuren von Wasser- und Kohlendioxid-Molekülen. Letztere bilden den Hauptbestandteil der Marsatmosphäre.

Wie Alexander Trochimowski, Mitarbeiter der Abteilung Planetenphysik des russischen Instituts für Weltraumforschung berichtete, glaubte man zuerst an einen Fehler, welcher sich bei der Kalibrierung des Spektrometers eingeschlichen hatte. Aber auch nach sorgfältiger Überprüfung seien diese „Artefakte“ nicht verschwunden, im Gegenteil – es zeigten sich ungefähr 30 Absorptionsbande, deren Lage mit keinen der bisher erhaltenen übereinstimmte. Weiter stellte sich heraus, dass es sich um Erscheinungen in geringen Höhen von weniger als 20 km über der Marsoberfläche handelte. Bis zu diesen Ergebnissen des TGO galt die Absorptionsbande des CO₂ in diesem Spektralbereich als ausgeschlossen, da sie so bislang nirgendwo, weder auf der Erde noch im Kosmos, gemessen wurde.

Im Falle Ozon war die Situation ein wenig anders. Der Ozon-Anteil in der Marsatmosphäre ist zwar gering, wurde aber bereits von den Sonden Mariner 7 und 9 in den 1970er Jahren entdeckt und seit dieser Zeit im Wesentlichen im Ultraviolett-Bereich und in Höhen von mehr als 20 km über der Oberfläche beobachtet. Mit Hilfe des MIR-Spektrometers gelang es nun erstmals, Ozon im infraroten Bereich von 3 µm und in geringeren Höhen nachzuweisen. „Beide Absorptionsbande, sowohl des Kohlendioxids als auch des Ozons, befinden sich genau in dem Bereich, wo wir Methan erwartet hatten“, erläuterte Kevin Olsen, Mitarbeiter der Physikalischen Fakultät der Universität Oxford.

Was wie ein rein akademischer Diskurs anmutet, kann letztendlich zur Beantwortung einer grundsätzlicheren Frage beitragen: Kommt Methan in der Marsatmosphäre vor oder nicht? Denn die Tatsache, dass sich in diesem Spektralbereich Spuren von CO₂ befinden, stellt die bisherigen Methoden der Methansuche auf den Prüfstand. Außerdem fördern die neuen Forschungsergebnisse das Verständnis über die Wechselwirkung zwischen CO₂ und O₃ und mit dem Sonnenlicht und damit das bessere Verständnis chemischer Prozesse in der Marsatmosphäre und führen zu einer höheren Genauigkeit der Messungen.

Der Trace Gas Orbiter setzt seine Arbeit fort. Die nächste Etappe im ExoMars-Programm beginnt im Jahre 2022 mit dem Start der Landeplattform „Kasatschok“ und des Marsrovers „Rosalind Franklin“, welche dann auf der Oberfläche ihre Forschungen aufnehmen sollen. Der TGO soll dabei auch als Relaisstation für die Datenübertragung genutzt werden. Möglicherweise hilft der Blick von zwei Seiten – von „unten“ und von „oben“ – das Rätsel um das Methan und Lebensspuren auf dem roten Planeten zu lösen.

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• ExoMars Trace Gas Orbiter + Lander Schiaparelli auf Proton-M/Briz-M

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Quelle: DLR.

Wie ein Schutzmantel breitet sich die Ozonschicht über uns aus und absorbiert einen Großteil der schädlichen UV-Strahlung der Sonne. Wenn die Schutzschicht jedoch so dünn wird, dass sie den Normalwert um etwa ein Drittel unterschreitet, dann spricht man von einem „Ozonloch“. Erstmals zeigt sich nun ein Ozonloch in voller Ausprägung über der Arktis, wie Atmosphärenforscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) beobachtet haben. Unterschritten wurde der kritische Ozonwert von 220 Dobson Einheiten – normalerweise kommt das in der Polregion nur im Frühling in der Antarktis vor, nicht aber in der Arktis auf der Nordhalbkugel.

Die aktuelle Analyse der Ozonschicht zeigt, dass der Ozonabbau in der Arktis durch die außergewöhnlich langanhaltenden und starken Polarwinde in den letzten zwei Monaten begünstigt wurde. Damit jedoch ein klassisches Ozonloch über dem Polarkreis entsteht, müssen verschiedene chemische und dynamische atmosphärische Vorgänge miteinander zusammenwirken.

Wie das Ozonloch entstanden ist

Zwischen Anfang Februar und Mitte März stellte der Polarwirbel über der Arktis neue Rekorde auf – das jahreszeittypische Tiefdruckgebiet in der Stratosphäre war extrem stark, stabil und kalt: In 30 Kilometer Höhe wurden zonale Windgeschwindigkeiten von mehr als 50 Meter pro Sekunde gemessen und die Temperaturen in 20 Kilometer Höhe sanken auf Werte von etwa Minus 80 Grad Celsius. Da bis etwa März Polarnacht herrscht und die Sonne nicht scheint, haben sich die Luftmassen in der Stratosphäre in den letzten Wochen und Monaten entsprechend stark abgekühlt. So konnten sich vermehrt „Perlmuttwolken“ bilden. An diesen polaren Stratosphärenwolken laufen zahlreiche chemische Reaktionen ab, sodass sie auch eine Grundvoraussetzung für die Verarbeitung des atmosphärischen Ozons schaffen.

Wenn die Sonne in der Polregion im Frühling langsam aufgeht und somit die notwendige Energie für die Reaktionsprozesse liefert, beginnt der Ozonabbau. Das Ozon wird dann durch die immer noch hohen Chlorkonzentrationen in der Atmosphäre abgebaut, welche von FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffen) verursacht wurden. Dieser gesamte Prozess hat derzeit in der Arktis zur Konsequenz, dass sich innerhalb des Polarwirbels ein Ozonloch ausgebildet hat. Der Bereich der stark reduzierten Ozonwerte reicht bis etwa 60 Grad nördlicher Breite. Die Gründe, dass sich das Ozonloch derzeit in der Arktis ausbildet sind also zum einen der außergewöhnlichen Dynamik der Stratosphäre in diesem Winter geschuldet, zum anderen der immer noch hohen atmosphärischen Chlorkonzentration.

Wird sich die Ozonschicht erholen?

Dank der internationalen Maßnahmen zum Schutz der Ozonschicht, ist seit einigen Jahren eine generelle Erholung der Ozonschicht sichtbar. „Aus heutiger Sicht und bei strenger Einhaltung der bestehenden Schutzmaßnahmen können wir davon ausgehen, dass sich bis Mitte dieses Jahrhunderts die Ozonschicht wieder vollständig erholen wird, auch in den Polarregionen“, sagt Prof. Dr. Martin Dameris vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre.

Das betrifft insbesondere die Einhaltung des „Montreal Protokolls“ aus dem Jahr 1987 wie auch den folgenden Umweltabkommen der Vereinten Nationen. Das Verbot der Produktion und Nutzung von FCKW und anderen Ozon-zerstörenden Substanzen hat bewirkt, dass die atmosphärischen Konzentrationen dieser Stoffe mit 20 Prozent seither deutlich zurückgegangen sind.

Trotzdem sind auch heute noch erhöhte FCKW-Gehalte in der Atmosphäre vorhanden. Der Chlorgehalt in der Stratosphäre ist noch relativ hoch, da die Flourkohlenwasserstoffe eine sehr lange Lebenszeit von mehreren Jahrzehnten haben. Unter entsprechenden meteorologischen Bedingungen können dadurch weiterhin Ozonlöcher entstehen, wie die neue Situation in der Arktis zeigt.

„Wir überwachen die Atmosphäre laufend und dokumentieren die Entwicklung der Ozonschicht. Dadurch können wir besondere Situationen wie jetzt in der Arktis wissenschaftlich erklären. Mit Hilfe von Satellitendaten können wir aber auch die Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen überprüfen und gegebenenfalls weitere Handlungsempfehlungen ableiten“, ergänzt Dameris. Die Atmosphärenforscher des DLR behalten die Ozonschicht und die globalen Klimaveränderungen somit weiter fest im Blick.

Was ist ein Ozonloch?

Das Ozon in der Atmosphäre befindet sich zu rund 90 Prozent in einer Höhe zwischen 15 und 30 Kilometer. Als „Ozonschicht“ erfüllt das Spurengas dort eine wichtige Schutzfunktion, indem es einen Großteil der schädlichen UV-Strahlung der Sonne absorbiert. Um die Ozongesamtmenge in der Atmosphäre über einem bestimmten Ort zu messen, nutzt man die sogenannte „Dobson Einheit“ (engl. Dobson Unit, DU). Eine Ozonschicht mit dem Wert von 100 Dobson Einheiten entspricht einer 1 Millimeter dicken Säule, die aus reinem Ozon besteht. Sobald dieser Messwert unter 220 DU sinkt, spricht man von einem „Ozonloch“. Die Ozonschicht ist dann mindestens 30 Prozent dünner als normal.

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• Ozonloch

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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 Ralph-Mirko Richter. Quelle: DLR, Wikipedia.

„Grund für diese positive Entwicklung ist die erfolgreiche Regulierung der Produktion und des Gebrauchs von fluor-, chlor- und bromhaltigen Substanzen wie zum Beispiel FCKW durch das Montreal-Protokoll von 1987 und nachfolgende internationale Vereinbarungen“, so Prof. Martin Dameris vom im bayrischen Oberpfaffenhofen ansässigen DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. „In diesem Prozess hat sich gezeigt, welche positiven Folgen es hat, wenn wissenschaftliche Erkenntnisse politische Konsequenzen haben.“

Mit dem Montreal-Protokoll reagierte die internationale Staatengemeinschaft auf das Anfang der 1980er Jahre erstmals beobachtete Ozonloch über der Antarktis. Die Abgabe von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) in die Atmosphäre, so die wissenschaftliche Begründung für dessen Entstehung, führt im Rahmen chemischer Prozesse zu einem Abbau der in der Stratosphäre befindlichen Ozonschicht und begünstigt so die Bildung dieser Lücke, durch welche die für Flora und Fauna schädliche UV-Strahlung ungehindert auf die Erdoberfläche trifft. Mit dem Montreal-Protokoll verpflichteten sich die unterzeichnenden Staaten, die Produktion und den Gebrauch von Fluorchlorkohlenwasserstoffen drastisch zu reduzieren.

Laut dem Bericht der in Genf in der Schweiz ansässigen World Meteorological Organization (WMO) geht man davon aus, dass sich durch die aktuell stattfindende Klimaänderung die Neubildung der Ozonschicht insgesamt beschleunigt. Das Ozonloch über der Antarktis soll sich demzufolge im Rahmen dieses Prozesses bis etwa zur Mitte dieses Jahrhunderts wieder weitestgehend schließen. In einigen Regionen könnte es dabei nach Ansicht der Atmosphärenforscher sogar zu einer sogenannten „Übererholung“ kommen. Damit ist gemeint, dass die Ozonkonzentrationen in einigen Bereichen der Atmosphäre nach dem vollständigen Abbau der dort befindlichen Fluorchlorkohlenwasserstoffe sogar höher ausfällt als dies vor dem ersten Auftreten des Ozonlochs in den frühen 1980er Jahren der Fall war. Allerdings: „Diese positive Entwicklung ist nur dann gewährleistet, wenn die Vereinbarungen des Montrealer Protokolls weiterhin strikt befolgt werden“, so Prof. Martin Dameris.

Als Grundlage für ihre Vorhersagen über die Entwicklung der Ozonschicht verwenden die Wissenschaftler sogenannte „Klima-Chemie-Modelle“, mit denen die physikalischen, chemischen und dynamischen Prozesse in der Erdatmosphäre simuliert werden können. Diese Rechenmodelle wurden unter anderem am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre erstellt. Im Vordergrund der Arbeiten stehen dabei Untersuchungen zum Einfluss des aktuellen Klimawandels auf die Chemie der Atmosphäre im Allgemeinen und auf die Ozonschicht im Besonderen.

Im Rahmen ihrer Analysen führen die Mitarbeiter des DLR-Instituts Langzeitsimulationen durch, welche in der Vergangenheit beginnen und sich bis in die Zukunft erstrecken. Die Rechenergebnisse werden dabei mit den bisher gewonnenen Beobachtungsdaten verglichen, um unter anderem die Qualität der Rechenmodelle zu bewerten und die Modelle zu verfeinern. Auf der Grundlage dieser Modelle ist es dann möglich, zuverlässige Aussagen über die zukünftigen Entwicklungen zu tätigen.

Für die Erstellung der Klimamodelle nutzen die Atmosphärenforscher unter anderem Daten des DLR-Instituts für Methodik der Fernerkundung (IMF). Das IMF verfügt über Standorte in Oberpfaffenhofen, Berlin-Adlershof und Neustrelitz. Zusammen mit dem Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) bildet das IMF das Earth Observation Center (EOC) – das Zentrum für Erdbeobachtung in Deutschland. Die Wissenschaftler des IMF sind maßgeblich an der Bereitstellung von Daten beteiligt, welche mithilfe satellitengestützter Messungen gewonnen werden. Diese Satellitendaten können anschließend zum Beispiel mit erdgestützten Messdaten ergänzt werden, um so eine möglichst hohe Genauigkeit zu erhalten. Am Ende stehen hochwertige Datensätze zur Verfügung, mit denen die Wissenschaftler ihre Prognosen erstellen können.

Die im Jahr 1950 gegründete World Meteorological Organization ist eine Sonderorganisation der Vereinten Nationen, die sich mit dem Zustand und dem Verhalten der Atmosphäre, ihren Interaktion mit den Ozeanen, das durch sie entstehende Klima und der daraus resultierenden Verteilung der Wasserressourcen auf der Erde beschäftigt. Seit der Entdeckung des Ozonlochs veröffentlicht die WMO alle vier Jahre einen Bericht zum aktuellen Zustand der Ozonschicht. Die DLR-Wissenschaftler Dr. Veronika Eyring, Prof. Martin Dameris, Diego Loyola, Dr. Patrick Jöckel, Prof. Robert Sausen und Prof. Ulrich Schumann waren als Leitautoren und Mitwirkende beziehungsweise Gutachter an der Erstellung des aktuellen WMO-Dokumentes beteiligt.

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WMO-Bericht:

• Ozonbericht 2010 (engl., 16,57 MB)

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: NOAA, ESA, eigene Recherche. Vertont von Peter Rittinger.

Patrick Cullis und Marc Weekley haben gerade ein volles Jahr lang in der Antarktis gearbeitet. Nicht immer konnten die Stratosphärenballons starten, wenn etwa gerade ein Sturm mit 130 Kilometern in der Stunde über das South Pole Observatory fegte. Einmal pro Woche starteten die US-Wissenschaftler der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) einen Ballon und vermaßen dabei die vertikale Ausdehnung der Ozonschicht. In diesem Jahr erreichte es am 26. September seine maximale Ausdehnung und war mit 23,8 Millionen Quadratkilometern so groß wie der nordamerikanische Kontinent.

Das Ozonloch entstand durch die Freisetzung sehr stabiler halogenierter Kohlenwasserstoffe (FCKWs). Diese gelangten nach einiger Zeit in die Stratosphäre, die sich aufgrund anderer Temperatur- und Strömungseigenschaften nur wenig mit der unteren Luftschicht, der Troposphäre, austauschen kann. FCKWs können in der Stratosphäre ungestört mit Ozonmolekülen reagieren, was Halogenradikale wie Chlor, Brom oder Fluor freisetzt. Diese sind äußerst reaktionsfreudig und tragen als Katalysatoren zum effektiven Abbau der Ozonschicht bei.

Ganz so schlimm sieht Diego G. Loyala R. vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Lage nicht: „In den letzten 14 Jahren gab es einen schwachen aber positiven Trend.“ Er hatte zusammen mit Kollegen aus ganz Europa Daten verschiedener Umweltsatelliten und bodengestützter Messungen ausgewertet. Viele Observatorien haben ständig ein wachsames Auge auf die Ozonschicht, darunter die ESA-Satelliten ERS-2, Envisat oder der schwedische Odin. Auch Material der US-Instrumente SBUV, SAGE I und SAGE II sowie HALOE kam zum Einsatz. Dabei wurde die Größe des Ozonlochs über die vergangenen 14 Jahre rekonstruiert.

Die Geschichte des Ozonlochs lässt sich in zwei Perioden untergliedern. Von 1979 bis 1997 stieg die Größe des Ozonlochs über der Antarktis um rund sieben Prozent pro Jahrzehnt. Die ungehemmte Freisetzung von FCKWs setzte nicht sofort mit der Ratifizierung des Montreal-Protokolls aus, zudem ist die Atmosphäre ein äußerst träges System. Die Stratosphäre merkt nicht sofort, wenn der Mensch weniger Schadstoffe in die Troposphäre abgibt.

Die zweite Periode begann 1997 und dauert bis heute an. In einem guten Jahrzehnt ging die Größe des Ozonlochs um durchschnittlich 0,8 bis 1,4 Prozent zurück. „Das ist statistisch gesehen nicht viel mehr als ein Nullsummenspiel“, sagte Jo Urban von der schwedischen Chalmer-Universität. „Wir hoffen aber, in den nächsten Jahren mit längerfristiger Datenbasis auch einen deutlicheren Rückgang des Ozonlochs zu sehen.“

Erstmalig sind nun auch Daten für den Anteil von Halogenradikalen in der Stratosphäre verfügbar. François Hendrick vom belgischen Institut für Atmosphärenforschung hat Ergebnisse des Envisat-Instruments SCIAMACHY ausgewertet. Envisat startete 2002 und misst seitdem kontinuierlich die Konzentration von Brommonoxid in der Stratosphäre, einem sehr effektiven Katalysator für Ozonabbaureaktionen.

Hendrick stellte seine Ergebnisse im September auf einer Konferenz zur Atmosphäreforschung in Barcelona vor. „Wir konnten die Messdaten des Satelliten mit Bodenstationen in hohen und mittleren Breiten bestätigen. Wir haben eine verifizierte Brommonoxid-Trendkurve aufgezeichnen können. Das sind die ersten direkten Beweise dafür, dass die Ergebnisse des Montreal-Protokolls nun auch die obere Stratosphäre erreicht haben“, so der Forscher.

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