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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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: ISRO, Skyrocket, Raumcon.

Beim Start konnte eine leicht höhere Leistung der dritten Stufe beim Betrieb der vierten weitgehend ausgeglichen werden. Mangalyaan gelangte in einen Orbit zwischen 247 und 23.566 Kilometern Höhe, geplant waren 248 x 23.000 km. Hier wird die Sonde mit eigenem Antrieb während 6 Brennphasen den Orbit zunächst in mehreren Stufen auf 600 x 215.000 km erweitern und anschließend auf eine Flugbahn zum Mars gebracht. Das Eintreffen am Roten Planeten ist für September 2014 geplant.

Hier soll die Sonde abgebremst und in einen elliptischen Orbit von 377 x 80.000 km bei einer Bahnneigung von 17,8 Grad gegen den Marsäquator gebracht werden. Von hier aus sollen Marsatmosphäre sowie Morphologie und Mineralogie der Marsoberfläche erforscht werden. Dazu befinden sich 5 in Indien entwickelte Messgeräte an Bord. Dies sind ein Lyman-Alpha-Photometer, ein Infrarot-Spektrometer, ein Methansensor, ein Analysator für die Zusammensetzung der Marsexosphäre sowie eine Farbkamera.

Die Sonde wurde in Rekordzeit von nur zwei Jahren entwickelt und gebaut, da man auf viele Teile der Mondsonde Chandrayaan zurückgreifen konnte. Allerdings ist der Mars deutlich weiter entfernt als der Mond, wodurch insbesondere in den Bereichen Antrieb, Energieversorgung und Kommunikation einige Anpassungen notwendig wurden. Insgesamt ergab sich eine Gesamtmasse von 1.350 kg beim Start, von denen noch etwa 500 kg im Marsorbit ankommen werden.

Mit Mangalyaan will die indische Weltraumforschungsorganisation ISRO aber nicht nur wissenschaftliche Erkenntnisse gewinnen sondern in erheblichem Maße auch technologische Erfahrungen sammeln. Das Verlassen des Anziehungsbereiches der Erde gehört dabei ebenso zu den Premieren wie das Einbremsen in den Marsorbit nach einer langen Freiflugphase, die Kommunikation über viele Millionen Kilometer hinweg, das Sammeln von Erfahrungen bei der Navigation im Orbit eines anderen Planeten aber auch organsiatorische Punkte wie Missionsplanung und Management.

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• MOM: Indischer Marsorbiter Mangalyaan

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA, DSI, Raumcon, Wikipedia. Vertont von Peter Rittinger.

Am 18. Dezember wurde erstmals das 4,6 x 4,3 Meter große Seitentor im Flug für 2 Minuten komplett geöffnet, allerdings in etwa 4,5 Kilometern Höhe und bei 415 Kilometern pro Stunde. Im Einsatz soll sich SOFIA in dreifacher Höhe mit doppelter Geschwindigkeit bewegen. Das Teleskop ist in eine umgebaute Boeing 747SP eingebaut worden und soll ab dem nächsten Frühjahr für astronomische Beobachtungen zur Verfügung stehen. Die 747SP besitzt einen verkürzten Rumpf und erreicht damit größere Flughöhen und eine größere Reichweite respektive Flugdauer.

Das Projekt wird seit 1997 verfolgt. Das Teleskop wurde bis 2004 in Deutschland durch die MT Aerospace AG und Kayser-Threde GmbH im Auftrag des DLR entwickelt und fertiggestellt und in das Flugzeug eingebaut. Der Hauptspiegel hat einen Durchmesser von 2,7 Metern, das Gesamtinstrument eine Masse von rund 17 Tonnen. Die verwendeten Sensoren sollen einen weiten Wellenlängenbereich von 0,3 bis 1.600 µm im infraroten Licht abdecken. Diese Strahlung kann am Boden aufgrund der Absorption vor allem durch den in der Luft der Troposphäre enthaltenen Wasserdampf nicht oder nur sehr eingeschränkt gemessen werden, vor allem im Bereich von 10 bis 1.000 µm. Für eine genaue Ausrichtung und Stabilität während des Fluges sorgen Motoren, verschiedene Vibrationsdämpfer und Korrekturmechanismen.

Die Instrumente können je nach Aufgabe flexibel gewechselt werden. Zur Grundausstattung gehören die High-resolution Airborne Wideband Camera, die Faint Object InfraRed CAmera for the SOFIA Telescope und die First Light Infrared Test Experiment CAMera. Außerdem sollen das Field Imaging Far-Infrared Line Spectrometer und der German Receiver for Astronomy at Terahetz Frequencies aus Deutschland sowie der Echelon-Cross-Echelle Spectrograph, der CAltech Submillimeter Interstellar Medium Investigations Receiver und das Submillimeter And Far InfraRed Experiment aus den USA zum Einsatz kommen. Speziell für SOFIA entwickelt wurde zudem das High-speed Imaging Photometer for Occultation.

In den letzten Wochen und Monaten wurden der Primärspiegel optisch beschichtet, Verbesserungen an den Gyroskopen zur Stabilisierung der Ausrichtung, den Feinlaufwerk-Bremsen, dem Vibrationsisolierungssystem und der Versorgungseinheit vorgenommen, die obere Tür modifiziert, Öffnungs- und Schließmechanismen installiert und getestet, Instrumentierung aufgebaut und das Flugzeug einer Routinewartung unterzogen. Während das Teleskop den Druckbedingungen der Hochatmosphäre unterliegt, befinden sich Piloten und Wissenschaftler in einer davon hermetisch abgeriegelten Drucksektion.

Aufgrund der deutschen Beteiligung an Entwicklung, Bau und Finanzierung des Gesamtprojekts steht das Observatorium auch dem Deutschen SOFIA-Institut am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart zur Verfügung und wird jährlich etwa zwei Wochen hier stationiert sein.

Verwandte Webseiten:

• Deutsches SOFIA-Institut
• SOFIA bei der NASA

Raumcon:

• SOFIA-Thread

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