Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) 17. September 2024.

17. September 2024 – Wie fühlt es sich an, bei einer Mission zur Grenze zwischen Erde und Weltall mitzuarbeiten? „Ziemlich cool“, sagt Hannes Ebeling. „Wir sind schließlich eines von lediglich neun europäischen Teams, die diese Chance bekommen haben. Das hat uns schon riesig gefreut.“

„Wir“ – das ist ein Grüppchen von zehn angehenden Physikerinnen und Physikern der Abteilung für Extraterrestrische Physik der CAU, das sich vor einem Jahr für die Teilnahme am sogenannten BEXUS-Projekt beworben hat. Das Akronym steht für „Balloon Experiments for University Students“, und dieser Name ist Programm: Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die schwedische Raumfahrtbehörde SNSA geben darin Studierenden die Möglichkeit, ein wissenschaftliches Experiment an Bord eines Ballons in die Stratosphäre zu schicken.

Strahlungs-Detektor überzeugte die Jury
„Man reicht dazu zunächst seinen Vorschlag ein und stellt ihn ein paar Wochen später bei einer Konferenz vor“, sagt Ebeling, der das Projekt zusammen mit seiner Kommilitonin Ava Pohley geleitet hat. „Wir wollten einen Detektor bauen, mit dem sich kosmische Strahlung analysieren lässt. Diese entsteht beispielsweise bei der Explosion von Sternen und kann Satelliten oder Raumsonden schädigen; daher ist es wichtig, ihre Intensität und Zusammensetzung zu kennen. Uns ist es gelungen, die Jurorinnen und Juroren von unserem Vorhaben zu überzeugen.“

Doch noch existierte die Idee lediglich auf dem Papier. Die Umsetzung in die Praxis war ziemlich fordernd: In regelmäßigen Abständen musste das Team sogenannte Reviews durchlaufen. Darin stellte es einem Gremium von BEXUS-Expertinnen und -Experten den aktuellen Stand seines Experiments vor. „Dabei kamen dann wie bei einem wirklichen Raumfahrt-Projekt immer wieder Verbesserungsvorschläge, die wir umsetzen mussten“, erklärt Ava Pohley.

Das Ergebnis der vielen hundert Stunden Arbeit sieht auf den ersten Blick unspektakulär aus: eine weiße Kiste, aus der einige Kabel heraushängen. Doch die Box hat es im wahrsten Sinne des Wortes in sich: Sie enthält eine ganze Reihe verschiedener Sensoren. Kernstück ist aber der sogenannte Cherenkov-Detektor. Er besteht aus einem quaderförmigen Aerogel-Block. Das Aerogel ist transparent und besteht zu mehr als 99 % aus Luft. Es ist also unglaublich leicht und fragil.

Aerogel hilft, schwere von leichten Teilchen zu unterscheiden
Die Lichtgeschwindigkeit in diesem schwammartigen Feststoff liegt nicht wie in Vakuum bei 300.000, sondern bei 286.000 Kilometern pro Sekunde. „Wir nutzen diese Eigenschaft aus, um herauszufinden, aus welchen Teilchen die kosmische Strahlung in der Stratosphäre besteht“, sagt Pohley.

Grundlage dafür ist ein Effekt, der bereits 1934 vom russischen Physiker Pavel Cherenkov entdeckt wurde: Wenn geladene Teilchen sich in bestimmten Medien schneller als das Licht fortbewegen, erzeugen sie dabei selbst Licht. Die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit lässt sich nicht überschreiten, die in einem Aerogel dagegen schon. „Je leichter ein Teilchen ist, desto weniger Energie benötigt es, um sich darin schneller als mit der dort gültigen Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen“, erklärt Hannes Ebeling.

Dieser Zusammenhang lässt sich nutzen, um schwere Teilchen in der kosmischen Strahlung – beispielsweise Protonen oder Helium-Kerne – von den deutlich leichteren Elektronen zu unterscheiden. „Und das ist es, was wir mit unserem Cherenkov-Detektor tun“, sagt der Sprecher der CAU-Gruppe, die ihr Messinstrument auf den Namen „CHAOS“ (Cherenkov Atmospheric Observation System) getauft hat.

Start für Anfang Oktober geplant
Ob sich die ganze Mühe gelohnt hat, wird sich Anfang Oktober im schwedischen Kiruna zeigen. Am 1. Oktober oder den Tagen danach (der genaue Zeitpunkt hängt vom Wetter ab) wird der Cherenkov-Detektor made in Kiel von dort an Bord eines Forschungs-Ballons in die Stratosphäre aufsteigen, zusammen mit den Experimenten von drei anderen Gruppen (die restlichen fünf Experimente werden bei einem zweiten Flug transportiert). Verläuft alles nach Plan, hat der Ballon nach 1,5 Stunden seine Zielhöhe von rund 26 Kilometern erreicht. Die Messungen werden mehrere Stunden dauern. Nach Landung des Ballons werden die Experimente an Bord ausgewertet.

Ein Teil des CAU-Teams reist bereits am 27. September in die nördlichste Stadt Schwedens, um dort alles vorzubereiten. Der Rest kommt am 1. Oktober nach. „Normalerweise werden solche kompakten Cherenkov-Detektoren nicht für die Messung kosmischer Strahlung in der Atmosphäre eingesetzt“, betont Ava Pohley. „Wir wollen demonstrieren, dass sich dieses Messprinzip sehr gut auch für diesen Zweck nutzen lässt.“

Text: Frank Luerweg

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• Raumfahrtbezogene Ausbildung / studentischer Satellitenbau

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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: 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: Forschungszentrums Jülich 5. Juli 2023.

Wasserdampf ist das wichtigste natürliche Treibhausgas in der Erdatmosphäre, wobei der Anstieg von Wasserdampf in einem zukünftigen Klima über einen positiven Rückkopplungseffekt, das sogenannte Wasserdampffeedback, den Effekt der anthropogenen Treibhausgase ungefähr verdoppelt. Darüber hinaus beeinflusst der atmosphärische Wasserdampf die Zirkulation, das heißt die Windsysteme der Atmosphäre.

Durch die von den Wissenschaftler:innen simulierten Änderungen der Wasserdampfkonzentration in dieser empfindlichen Atmosphärenregion ergeben sich erhebliche Änderungen der modellierten atmosphärischen Zirkulation bis in den Bereich der bodennahen Atmosphäre. Diese dynamischen Rückkopplungen auf die Windsysteme bewirken eine Verschiebung der Subtropenjets und troposphärischen Jets aufgrund erhöhter Wasserdampfkonzentrationen in der unteren Stratosphäre. Die verbesserte Simulation des stratosphärischen Wasserdampfs kann über diese Effekte auf die atmosphärische Zirkulation also auch eine Verbesserung der Simulation von Wetter-Regimes bewirken.

Über das Institut Stratosphäre (IEK-7)
Das IEK-7 untersucht Chemie, Dynamik und Mikrophysik in der Stratosphäre und Tropopausenregion und deren Rolle im Klimasystem. Hierzu werden flugzeug- und ballongestützte Experimente durchgeführt, um Prozesse auf vorwiegend lokalen und regionalen Skalen aufzuklären. Die Auswertung und Nutzung von Satellitendaten erweitert diese Studien bis zu globalen und klimatologischen Skalen. Die Auswertung der Messdaten erfolgt in enger Verzahnung mit Modellrechnungen.

Originalveröffentlichung:
Charlesworth, E., Plöger, F., Birner, T. et al. Stratospheric water vapor affecting atmospheric circulation. Nat Commun 14, 3925 (2023). doi.org/10.1038/s41467-023-39559-2
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39559-2
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-023-39559-2.pdf

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• Planet Erde

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Quelle: Deutsche Telekom 27. Februar 2023.

27. Februar 2023 – „Always on“, so beschreiben die meisten Menschen ihren digitalen Alltag. Wie leicht dieser Alltag aus den Fugen gerät, haben die Naturkatastrophen der letzten Jahre gezeigt. Zuletzt das Erdbeben in der Türkei. In solchen Situationen ist es für betroffene Personen von Vorteil, noch Mobilfunk zu empfangen. Im Ernstfall ist aber meistens auch die dafür nötige Infrastruktur am Boden beschädigt.

Die Deutsche Telekom engagiert sich gemeinsam mit der Europäischen Weltraum-Organisation (ESA) für ausfallsichere Konnektivität. Das gilt auch im Krisenfall. Im Mittelpunkt stehen nahtlose Verbindungen zwischen terrestrischen Netzen und alternativen Netzen am Himmel und im Weltall. Auf dem Mobile World Congress haben die Partner vereinbart, gemeinsam an diesen hybriden Netzen der Zukunft zu arbeiten. Dafür haben beide in Barcelona ein Memorandum-of-Understanding (MoU) unterschrieben. Das Ziel: widerstandsfähigere und sicherere Konnektivität für die künftigen Anforderungen an Kommunikation.

Dies ist wichtig, falls Teile der Netztechnik am Boden ausfallen. Ein hybrides Netz könnte dann auf nicht-terrestrische Netz-Elemente zurückgreifen. Zum Beispiel auf Satelliten oder fliegende Antennen-Plattformen in der Stratosphäre. Diese Elemente ersetzen während einer Katastrophe die Infrastruktur am Boden. So bleibt der Kontakt zu betroffenen Personen oder Rettungs-Teams nahtlos erhalten.

„Wir haben ein klares Ziel: Konnektivität für alle, immer und überall. Verbindungsalternativen wie Satelliten spielen eine entscheidende Rolle dabei unser terrestrisches Netz zu ergänzen, um eine Kontinuität der Dienste zu gewährleisten. Die Zusammenarbeit mit der ESA ist ein wichtiger Schritt. Damit schaffen wir die technologischen Grundlagen für eine höhere Ausfallsicherheit unserer Netze. Durch die Kombination von terrestrischer und satellitengestützter Kommunikation. Dies wird die Reichweite unseres Netzes verbessern. Davon profitieren alle, die in Verbindung bleiben müssen“, sagte Claudia Nemat, Vorstandsmitglied der Deutschen Telekom für Technologie und Innovation.

Javier Benedicto, amtierender ESA-Direktor für Telekommunikation und integrierte Anwendungen, sagte: „Die ESA unterstützt die Zukunft der Konnektivität, in der Satelliten mit terrestrischen Technologien integriert werden. Um eine allgegenwärtige, nahtlose und sichere Konnektivität für alle zu ermöglichen. Wir freuen uns über die Partnerschaft mit der Deutschen Telekom, um die wichtigen Technologien in diesem Bereich zu entwickeln. Die ESA unterstützt die europäische und kanadische Industrie dabei, Innovationen zu fördern und im globalen Wettbewerb zu bestehen.“

Weltpremiere: 5G ins All und zurück
Die Deutsche Telekom hat die technische Machbarkeit dieser neuen Herausforderung bewiesen. Gemeinsam mit Partnern wie dem Satellitenspezialisten Intelsat. Seit Jahren testet die Telekom den Einsatz verschiedener Antennenplattformen in der Stratosphäre. Dabei hat das Unternehmen gezeigt, dass Verbindungen auch mit herkömmlichen Smartphones und 5G immer besser werden.

Mit ihren Partnern ist die Deutsche Telekom einen entscheidenden Schritt weitergekommen. Bei Tests in Istrien (Kroatien) wurde weltweit zum ersten Mal eine orchestrierte 5G-Verbindung nahtlos über verschiedene Netzebenen aufgebaut. Sie reichte über Stratosphäre bis in den Weltraum und wieder zurück. Der aus der Stratosphäre bereitgestellte Mobilfunkdienst folgte dem Backhaul-Weg über den Satelliten und zurück zur Erde zu dessen Schnittstelle am Boden. Von dort flossen die Signale ins Kern-Netz oder zur Basisstation. Die Übertragung gelang mit einem Standard 5G-Mobiltelefon über einen 20 Mega-Hertz-Kanal. Im Luftraum über Pula erreichte die Telekom im Februar 2023 Datenraten von bis zu 200 Megabit pro Sekunde.

Das beweist, dass eine hybride Kommunikation über terrestrische und nicht-terrestrische Netze ein Höchstmaß an Ausfallsicherheit bieten kann. Intelsat hat sich in der Vergangenheit bei der Bereitstellung von Konnektivität nach Naturkatastrophen bewährt. Das Unternehmen betreibt ein einheitliches, Multi-Orbit-Netz. Dieses Netz aus Satelliten bietet die Ausweich-Möglichkeit, die betroffenen Personen in Extremsituationen helfen kann. Die Multi-Orbit-Lösung von Intelsat ermöglicht eine nahtlose, sichere Nutzung. Auch der Wechsel zwischen Antennen-Plattformen und geostationären Satelliten ist möglich, wenn die Situation dies erfordert. Hilfe anfordern, über die Situation vor Ort berichten und den Einsatz der Rettungskräfte koordinieren – all das könnten alternative Netze in Extremsituationen besser ermöglichen.

Integration verschiedener Netzebenen
Nicht-terrestrische Netze (NTN) sind Kommunikationsnetze mit Elementen im Weltraum und in der Luft. Dazu gehören Antennenplattformen in der Stratosphäre, so genannte HAPS (High Altitude Platform Station). Das können frei schwebende Höhenballons, Luftschiffe oder Motorsegler sein. Diese Segler können umweltfreundlich mit Solarenergie und Wasserstoff betrieben werden. Im Weltraum werden Satelliten eingesetzt, wie der im Test verwendete Intelsat-38. Um diese neuen Netzformen in bestehende Netze zu integrieren, müssen diese unterschiedlichen Kommunikations-Technologien aufeinander abgestimmt werden. So werden sie zu mehrdimensionalen Netzen, mit nahtlosen Übergängen zwischen den verschiedenen Schichten. Sie umspannen den Weltraum, den Himmel und die Erde. Das ist das Ziel der Deutschen Telekom in dieser Partnerschaft.

Über die Europäische Weltraum-Organisation
Die Europäische Weltraum-Organisation (ESA) ist Europas Tor ins Weltall. Die ESA wurde 1975 als zwischenstaatliche Organisation gegründet. Sie steuert die Entwicklung der europäischen Raumfahrtkapazitäten. So stellt sie sicher, dass Investitionen in die Raumfahrt den Bürgerinnen und Bürgern Europas und der Welt zugutekommen.

Die ESA hat 22 Mitgliedstaaten: Belgien, Dänemark, Deutschland, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Italien, Luxemburg, Niederlande, Norwegen, Österreich, Polen, Portugal, Rumänien, Schweden, Schweiz, Spanien, Tschechische Republik, Ungarn und Vereinigtes Königreich. Assoziierte Mitglieder sind Lettland, Litauen, die Slowakei und Slowenien. Mit vier EU-Mitgliedstaaten hat die ESA eine formelle Zusammenarbeit vereinbart. Kanada nimmt im Rahmen eines Abkommens zur Kooperation an einigen ESA-Programmen teil.

Durch die Koordinierung der finanziellen und personellen Ressourcen ihrer Mitglieder ist die ESA in der Lage, Programme und Aktivitäten durchzuführen, die weit über die Möglichkeiten eines einzelnen europäischen Landes hinausgehen. Sie arbeitet besonders mit der EU bei der Umsetzung der Programme Galileo und Copernicus sowie mit Eumetsat bei der Entwicklung von meteorologischen Missionen zusammen.

Besuchen Sie uns – in Barcelona oder im Internet
Erleben Sie unsere Produkte und Dienstleistungen live. Vom 27. Februar bis 2. März 2023 finden Sie die Deutsche Telekom in Halle 3 am Stand 3M31 und in Halle 8.1 am Stand 8.1C14 im 4YFN („Four years from now“). Wir freuen uns, Sie dort begrüßen zu dürfen. Das Bühnenprogramm wird live gestreamt. Bitte besuchen Sie: https://mwc.telekom.com/2023.

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• Die deutsche Telekom

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Quelle: TROPOS, Tilo Arnhold 6. September 2022.

Leipzig. Die Waldbrände 2019/20 in Australien transportierten soviel Rauch in die Atmosphäre wie nie zuvor auf der ganzen Welt beobachtet wurde. Im sogenannten Black Summer kamen dabei dreimal so viele Partikel in hohe Luftschichten wie beim bisherigen Rekord, den kanadischen Waldbränden im Sommer 2017. Zwei Analysen unter Leitung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) zeigen jetzt die Klimawirkung dieser gewaltigen Brände auf: Rauchpartikel mit einer Gesamtmasse von rund einer Million Tonnen verteilten sich über die Südhemisphäre und beeinflussten etwa eineinhalb Jahre lang das Klima, in dem sie die Atmosphäre oben erwärmten und unten kühlten. Dabei wurde das Sonnenlicht von den Subtropen bis zur Antarktis noch stärker getrübt als 1991 beim Ausbruch des Vulkans Pinatubo. Der Rauch hat wahrscheinlich auch zum Rekord-Ozonloch über der Antarktis 2020 beigetragen und bildete einen Wirbel mit über 1000 Kilometer Durchmesser, der mehrere Wochen über die Südhalbkugel zog und als erster Nachweis gilt, dass der Rauch der Waldbrände auch die Höhenwinde in der Stratosphäre verändern kann. Da solche extremen Brände durch den Klimawandel voraussichtlich immer häufiger werden, sei es sehr wichtig, den Rauch und seine Auswirkungen auf den Energiehaushalt der Erde in den Klimaszenarien zu berücksichtigen, schreiben die Forschenden im Fachjournal Atmospheric Chemistry and Physics (ACP).

Rekord-Waldbrände in Australien
Zwischen September 2019 und Januar 2020 brannte fast doppelt so viel Fläche wie bei jedem anderen extremen Feuer in Australien, das bisher dokumentiert wurde. Die Brände erreichten ihren Höhepunkt zwischen dem 29. Dezember 2019 und dem 4. Januar 2020. In der wissenschaftlichen Literatur werden sie deshalb inzwischen als „Australian New Year Super Outbreak“ (ANYSO) betitelt und umgangssprachlich „Schwarzer Sommer“ (Black Summer bushfires) genannt. Durch die große Hitze bildeten sich dabei auch 38 Feuerwolken (Pyrocumulonimbus, kurz PyroCb), die den Rauch mit der zehnfachen Geschwindigkeit eines Fahrstuhles in große Höhen transportierten. Mehr als die Hälfte dieser Feuerwolken haben die Rauchpartikel direkt bis zu einer Höhe von 14 bis 16 Kilometern in die untere Stratosphäre transportiert. Wie bei einem Vulkanausbruch gilt auch für Waldbrände: Je höher die Partikel gelangen, umso weiter verteilen sie sich und umso länger wirken sie auf das Klima. Partikel in den unteren Atmosphärenschichten werden durch Niederschläge meist schnell wieder ausgewaschen und haben deshalb kaum Auswirkungen auf das Klima.

Durch die Waldbrände im Südosten Australiens gelangten um den Jahreswechsel 2019/20 über eine Million Tonnen an Rauchpartikeln in die Atmosphäre. Das ist etwa viermal so viel wie bei den Waldbränden in den Jahren zuvor. Die Rauchpartikel verteilten sich durch die Höhenwinde innerhalb von wenigen Tagen in den mittleren Breiten der Südhemisphäre und enthalten unter anderem auch Ruß-Aerosol. Diese dunklen Teilchen nehmen Sonnenenergie auf und zählen zu den am stärksten wärmenden kurzlebigen Klimatreibern. Der Rauch aus solchen extremen Waldbränden ist in den Aerosol-Klimamodellen jedoch bisher noch nicht ausreichend abgebildet. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des TROPOS hat daher die Black-Summer-Waldbrände analysiert, um die Auswirkungen solcher Ereignisse auf das Klima besser zu verstehen.

Viele Messungen in der Südhemisphäre ergeben ein Puzzlebild
Für ihre Studie nutzen die Forschenden Satellitendaten zur optischen Dicke von Aerosolschichten (AVHRR der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) und des Weltraum-Lidars CALIOP). Die Trübung der Atmosphäre verglichen sie mit den Sonnen-Photometer-Messungen des internationalen AERONET-Netzwerks, das u.a. Stationen betreibt in Punta Arenas (Chile), Amsterdam Island (Indischer Ozean), Marambio (vor der Antarktischen Halbinsel), Vechernaya Hill (Ostantarktis) und am Südpol. Entscheidend waren aber die Langzeitbeobachtungen, die mit zwei bodengestützten Raman-Lidaren in Punta Arenas (Chile) und Río Grande (Argentinien) an der südlichsten Spitze Südamerikas, durchgeführt wurden. Diese Messungen können als repräsentativ für den südlichen Teil der Südhemisphäre angesehen werden und ermöglichten auch Vergleiche mit anderen extremen Waldbränden in der Nordhemisphäre. Beide Messungen hatten ursprünglich andere wissenschaftliche Ziele: Die Lidar-Beobachtungen in Punta Arenas fanden im Rahmen der DACAPO-PESO-Kampagne (Dynamics, Aerosol, Cloud And Precipitation Observations in the Pristine Environment of the Southern Ocean) von November 2018 bis November 2021 statt. Das Hauptziel dieser Messkampagne von Universität Magallanes (UMAG), TROPOS und der Universität Leipzig war die Untersuchung von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsprozessen unter den sauberen Bedingungen der Südhemisphäre. Die Lidar-Beobachtungen in Río Grande waren Teil der HALO-Mission SOUTHTRAC-GW (Southern Hemisphere Transport, Dynamics, and Chemistry–Gravity Waves), bei der ein großes internationales Team unter Leitung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) im September 2019 atmosphärische Schwerewellen in Südamerika mit dem Forschungsflugzeug HALO untersucht hat. Dabei kam auch das Compact Rayleigh Autonomous Lidar (CORAL) des DLR zum Einsatz, das wichtige Daten zu den optischen Eigenschaften des Rauchs zwischen 15 und 30 Kilometern Höhe lieferte. Die Vielzahl der Daten machte es möglich, ein neues Phänomen zu beobachten, die Waldbrände mit bisherigen Rekord-Waldbränden in Nordamerika zu vergleichen und auch Zusammenhänge zum Ozonloch herzustellen.

Ein einzigartiger Rauch-Wirbel
Lidarmessungen des TROPOS aus den vorigen Jahren ermöglichten es, die Waldbrände in Australien mit zwei anderen großen Bränden zu vergleichen: Die rekordverdächtigen Waldbrände in Kanada (Pacific Northwest Event, PNE) im August 2017 hatten im Vergleich nur rund ein Drittel an Aerosolmasse in die obere Stratosphäre transportiert. Fünf Brandwolken über British Columbia sorgten damals dafür, dass dieser Rauch bis zum Januar 2018 über Europa schwebte. Extrem starke Brände gab es auch im Juli/August 2019 in Sibirien nördlich und nordöstlich des Baikalsees (SIberian Lake Baikal Event, SILBE), bei denen keine Feuerwolken beobachtet wurden. Der Rauch stieg deshalb wahrscheinlich per Sonneneinstrahlung langsam innerhalb einer Woche in große Höhen auf. Durch die Lidarmessungen auf dem Forschungseisbrecher Polarstern konnte der Rauch dieser Brände während der internationalen MOSAiC-Expedition zwischen Oktober 2019 und Mai 2020 in der Region um den Nordpol beobachtet werden.

Der Rauch der Kanadischen Waldbrände (PNE) 2017 umfasste rund 0,3 Millionen Tonnen Material, bildete eine etwa 1 bis 4 Kilometer dicke Schicht, stieg bis in 20 Kilometern Höhe auf und schwebte etwa 8 Monate in der Atmosphäre. Der Rauch der Sibirischen Waldbrände (SILBE) 2019 bildete eine etwa 7 bis 10 Kilometer dicke Schicht, stieg bis in 18 Kilometern Höhe auf und schwebte etwa 5 Monate in der Atmosphäre. Der Rauch der Australischen Waldbrände (ANYSO) 2019/20 umfasste rund 1 Million Tonnen Material, bildete eine etwa 10 bis 14 Kilometer dicke Schicht, stieg bis in 24 Kilometern Höhe auf und schwebte etwa 20 Monate in der Atmosphäre. „Die Australischen Waldbrände 2019/20 sind definitiv die Waldbrände mit den bisher größten Auswirkungen auf die Atmosphäre und das globale Klima. Die Dimensionen sind mit dem Ausbruch des Pinatubo auf den Philippinen 1991 vergleichbar. Damals gelangten die Partikel bis in 25 Kilometern Höhe und schwebten etwa 14 Monate in der Atmosphäre. Lediglich die Größe der Partikel unterscheidet sich deutlich: Die Aschepartikel des Vulkans waren mit einem Durchmesser von rund 1 Mikrometer etwa doppelt so groß wie die Rauchpartikel der Australischen Waldbrände“, berichtet Albert Ansmann vom TROPOS.

Rauch als Katalysator für das Ozonloch?
2020/21 wurden drei Ereignisse mit einem rekordverdächtigen Ozonabbau beobachtet: Im März/April 2020 bildete sich ein extrem starkes Ozonloch über der zentralen Arktis und im September bis November 2020 und 2021 jeweils ein ebenfalls extremes Ozonloch über der Antarktis. Bei allen drei Ereignissen schwebte ungewöhnlich viel Rauch in der Atmosphäre der Polargebiete, wie die Lidarmessungen belegen. Aus Sicht der Forschenden ein klares Indiz für Zusammenhänge, denn sie beobachteten eine deutliche Übereinstimmung zwischen der Schicht mit dem stärksten Ozonabbau über den Stationen der Ozonsonden (14-25 km Höhe), der Schicht mit einer erhöhten Partikeloberflächenkonzentration über Punta Arenas (10-24 km Höhe) und dem Höhenbereich, in dem die CALIOP-Satellitendaten Polare Stratosphärenwolken nachgewiesen hat (hauptsächlich über der Antarktis in 13-26 km Höhe). „Von den Polare Stratosphärenwolken (PSC) ist bekannt, dass an ihren Oberflächen chemische Prozesse ablaufen, die den Ozonabbau beschleunigen. Deshalb vermuten wir stark, dass der Rauch zu diesen hohen Wolken geführt hat und diese Wolken wiederum zum starken Ozonabbau. Für die Menschen in und um die Polargebiete wäre dies keine gute Nachricht. Sollte der Klimawandel wie erwartet zu immer häufigeren und stärkeren Waldbränden führen, dann würden sich die Ozonlöcher über Arktis und Antarktis ausbreiten und mit ihnen auch das Hautkrebsrisiko“, erläutert Kevin Ohneiser vom TROPOS.

Kühlende Wirkung wie bei einem großen Vulkanausbruch
Die Daten wurden auch für eine Simulation mit dem globalen modernen Aerosol-Klimamodell ECHAM6.3-HAM2.3 genutzt. Dieses Modell verwendet ein Aerosol-Mikrophysik-Modell, um die Entwicklung von unterschiedlicher Aerosoltypen vorherzusagen. Dadurch kann deren Einfluss auf die Strahlungsbilanz der Atmosphäre berechnet werden: Die Modellierung ergab eine Wärmewirkung in der oberen Atmosphäre (TOA) von +0,5 Watt pro Quadratmeter in der Südhemisphäre und +0,25 Watt pro Quadratmeter global. An der Erdoberfläche (Boden der Atmosphäre, BOA) wurde der solare Strahlungsantrieb bei klarem Himmel auf etwa -0,75 Watt pro Quadratmeter geschätzt. Dies entspricht der Kühlwirkung, die durch einen großen Vulkanausbruch verursacht wird. „Wir waren überrascht, wie stark die Waldbrände im Südosten Australiens die oberen Luftschichten der Südhemisphäre getrübt und damit die Strahlungsbilanz verändert haben. Diese Veränderungen beeinflussten das Klima auf der Südhalbkugel eineinhalb Jahre lang. Zurückzuführen sind sie aber im Wesentlichen auf lediglich vier Tage mit Rauch aus Pyrokonvektion“, betont Dr. Bernd Heinold vom TROPOS.

Waldbrände werden wichtiger für Klimamodelle
Die Auswirkungen des Aerosols von Waldbränden auf die Energiebilanz wurde bei Bränden mit derart hochreichenden Brandwolken in den Modellen wahrscheinlich bisher unterschätzt, da die vertikale Rauchverteilung für die Strahlungswirkung entscheidend ist, es aber bisher wenig Wissen dazu gab. „Solche Verbesserungen sind für jede Schätzung der Energiebilanz und des Klimazustands der Erde von wesentlicher Bedeutung. Daher wird es immer wichtiger, Klimamodelle in die Lage zu versetzen, besser mit der Auswirkung von Waldbränden auf die Atmosphäre umzugehen, da diese als Reaktion auf die anthropogene Klimaerwärmung voraussichtlich weltweit an Häufigkeit und Schwere zunehmen werden“, erklärt Prof. Ina Tegen vom TROPOS. „Das erhöhte Risiko schwerer Waldbrände steht im Zusammenhang mit extremer Trockenheit. Häufigere und intensivere Wetterextreme erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich diese sehr hoch reichenden Feuerwolken künftig häufiger bilden werden.“ Rekord-Brände wie 2019/20 in Australien könnten sich in den kommenden Jahren in anderen Regionen der Erde wiederholen und das globale Klima immer stärker beeinflussen.

Publikationen:
Ohneiser, K., Ansmann, A., Kaifler, B., Chudnovsky, A., Barja, B., Knopf, D. A., Kaifler, N., Baars, H., Seifert, P., Villanueva, D., Jimenez, C., Radenz, M., Engelmann, R., Veselovskii, I., and Zamorano, F.: Australian wildfire smoke in the stratosphere: the decay phase in 2020/2021 and impact on ozone depletion, Atmos. Chem. Phys., 22, 7417–7442, doi.org/10.5194/acp-22-7417-2022, https://acp.copernicus.org/articles/22/7417/2022/.

Heinold, B., Baars, H., Barja, B., Christensen, M., Kubin, A., iser, K., Schepanski, K., Schutgens, N., Senf, F., Schrödner, R., Villanueva, D., and Tegen, I.: Important role of stratospheric injection height for the distribution and radiative forcing of smoke aerosol from the 2019–2020 Australian wildfires, Atmos. Chem. Phys., 22, 9969–9985, doi.org/10.5194/acp-22-9969-2022, https://acp.copernicus.org/articles/22/9969/2022/.

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• Klimawandel

Der Beitrag Rauch von Waldbränden in Australien beeinflusste über 1,5 Jahre Klima und Höhenwinde der Südhalbkugel erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Forschungszentrum Jülich 29. August 2022.

Nach dem erfolgreichen Jungfernflug in Schweden im vergangenen Jahr dient die aktuelle Kampagne neben der Erforschung der stratosphärischen Luftschichten dazu, die Europäische Weltraumagentur ESA bei der Vorbereitung von Satellitenmissionen wie CAIRT und FORUM zu unterstützen. Der Ballon mit Gloria-B steigt bis zu 36 Kilometer hoch in der Atmosphäre auf und hat dort einen Durchmesser von rund 100 Metern.

CAIRT („The Changing-Atmosphere Infra-Red Tomography Explorer“) ist ein Satellitenkonzept, das vom Forschungszentrum Jülich, dem KIT und neun weiteren Partnern entwickelt wurde. Dabei handelt es sich um ein Infrarot-Tomographie-Experiment zur Untersuchung der Atmosphäre im Wandel. Treibhausgase und Luftschadstoffe, aber auch natürliche Phänomene wie Vulkanausbrüche wirken sich auf die Erdatmosphäre aus. Ziel von CAIRT ist es, diese Prozesse detailliert untersuchen zu können. Die ESA hat CAIRT im vergangenen Jahr in die engere Wahl für die Mission „Earth Explorer 11“ gezogen. GLORIA trägt hierbei als Vorläuferinstrument von CAIRT aus großen Höhen Messungen bei, die dabei helfen, die technische Machbarkeit sowie die Messmöglichkeiten des Satelliteninstruments zu demonstrieren.

Die GLORIA-B-Messungen in Kanada werden von den Entwicklungsingenieur*innen vom Institut für Systeme der Elektronik betreut, die das Detektorauslesesystem und den Prozessierungsrechner entwickelt haben. Die Messungen ergänzen weitere Ballonstarts am Forschungszentrum Jülich: „Zeitnah zum GLORIA-Flug sammeln unsere Kolleg*innen in Jülich mithilfe von Messgeräten an kleineren Stratosphärenballons Luftproben und untersuchen sie später im Labor auf Spurengase wie Methan und FCKW. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die stratosphärische Zirkulation ableiten, die sich durch den Klimawandel verändert“, erläutert Dr. Jörn Ungermann vom Institut für Stratosphäre, der die Messkampagne in Timmins von Jülicher Seite aus koordiniert. Durch den Vergleich beider Messmethoden soll gezeigt werden, dass GLORIA und später CAIRT die stratosphärische Zirkulation in dieser schwer zugänglichen Region der oberen Atmosphäre untersuchen kann.

Die beiden Datensätze werden ein Schlaglicht auf die Zirkulation der mittleren Atmosphäre werfen. Luftmassen steigen durch die tropische Tropopause auf, werden innerhalb der Stratosphäre zu höheren Breiten transportiert und sinken dort in höheren Breiten wieder ab. Das Alter der Luft seit Eintritt in die Stratosphäre lässt sich durch die Messungen bestimmen. Es beträgt in der Regel mehrere Jahre, ist aber mit hohen Unsicherheiten behaftet. Die Transportprozesse sind von großer Bedeutung für den Treibhauseffekt, da sie in einer besonders sensitiven Höhe stattfinden.

Darüber hinaus wird GLORIA in einer ähnlichen Messgeometrie wie das bereits für die Earth-Explorer-9-Mission ausgewählte Fernerkundungsexperiment FORUM eingesetzt. Die Kombination von GLORIA mit dem italienischen FIRMOS Instrument wird zeigen, inwieweit sich FORUM mit dem Wettersatelliten MetOp-SG ergänzt.

Das Forschungszentrum Jülich ist seit 2018 in der Mission Advisory Group vertreten und hat wesentlich zur erfolgreichen Auswahl von FORUM beigetragen. Der Start des Satelliten ist für das Jahr 2027 geplant. Das Hauptinstrument wird das von der Erde in den Weltraum abgestrahlte Licht spektral hochaufgelöst messen und dabei erstmals auch bei Wellenlängen im sogenannten fernen Infrarot. Dieser bisher unerforschte Teil der Erdstrahlung sorgt für etwa die Hälfte der Strahlungskühlung der Erde und für die Hälfte des Treibhauseffekts. Darüber hinaus enthalten die Messungen spektrale Fingerabdrücke des Wasserdampffeedbacks, der den menschengemachten Treibhauseffekt verstärkt.

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• Klimawandel

Der Beitrag Atmosphärenforschung: GLORIA-B misst in 36 Kilometer Höhe erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

5. Mai 2022 – Etwa einen Monat vor Beginn seines Forschungsflugs in der Stratosphäre hat das Sonnenobservatorium Sunrise III an seinem Startplatz am Polarkreis zum ersten Mal auf die Sonne geschaut. Im Juni wird es vom Esrange Space Center, der Ballon- und Raketenbasis der Schwedischen Weltraumagentur SSC im nordschwedischen Kiruna, auf eine Höhe von etwa 35 Kilometern steigen und während des mehrtägigen Fluges einzigartige Messdaten von der Sonne aufnehmen. Prozesse in der Chromosphäre, der hochdynamischen Schicht zwischen der sichtbaren Oberfläche und der äußeren Atmosphäre der Sonne, werden so genauer als je zuvor sichtbar. Die verbleibenden Wochen bis zum Start nutzen die technischen und wissenschaftlichen Teams aus Deutschland, Spanien, Japan und den USA, um alle Systeme und die wissenschaftlichen Instrumente auf ihren Einsatz vorzubereiten. Zudem werden die Abläufe und der Betrieb des Observatoriums während des Flugs geübt.

Seit Anfang April dieses Jahres ist Esrange Space Center im nordschwedischen Kiruna Schauplatz der letzten Vorbereitungen für den Flug von Sunrise III. In Einzelteile zerlegt ist die gesamte Hardware einschließlich Gondel, Sonnenteleskop und wissenschaftlicher Instrumente in Lastwagen vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen dorthin gereist. Das MPS leitet die Mission. Seitdem sind die eisigen Temperaturen von bis zu -15 Grad Celsius und das Schneetreiben, das bei der Ankunft herrschte, verträglicheren Bedingungen gewichen. Das so genannte „First Light“, der erste Blick auf die Sonne, fand bei Temperaturen um den Gefrierpunkt statt.

„Der Start vom Polarkreis ist mit einem beträchtlichen logistischen Aufwand verbunden“, blickt Sunrise III-Projektmanager Dr. Andreas Korpi-Lagg vom MPS auf die letzten Monate zurück. Doch für den wissenschaftlichen Erfolg der Mission ist der abgelegene Startplatz im hohen Norden von entscheidender Bedeutung. Da die Sonne jenseits des Polarkreises im Sommer nicht untergeht, kann Sunrise III während des Fluges rund um die Uhr Messdaten aufzeichnen. Am Erdboden finden Sonnenforscherinnen und -forscher die besten Sichtbedingungen etwa auf Hawaii, auf den Kanarischen Inseln oder im US-amerikanischen Südwesten. Doch selbst während der besten Beobachtungssaison, üblicherweise im Frühsommer, sind dort die Messungen typischerweise auf wenige Stunden am Tag begrenzt.

Ein weiterer Vorzug von Sunrise III ist die Beobachtungshöhe. Ein riesiger, mit Helium gefüllter Ballon hebt das etwa sechs Meter hohe Observatorium beim Start bis in die Stratosphäre. In etwa 35 Kilometern Höhe trägt der Wind Observatorium und Ballon nach Westen. In dieser Höhe, die beinahe schon den Übergang zum Weltall markiert, ist die Atmosphäre so dünn, dass Luftturbulenzen die Sicht nicht trüben. Zudem hat das ballonfahrende Forschungsobservatorium dort Zugang zur ultravioletten Strahlung der Sonne, deren Großteil die Erdatmosphäre absorbiert. „Bessere Beobachtungsbedingungen bieten nur Raumsonden im Weltall“, so Projektleiter Prof. Dr. Sami Solanki, Direktor am MPS.

Vom Kran getragen
Beim „First Light“ in Kiruna verblieb Sunrise III am Boden. Der Meilenstein bietet nicht in erster Linie aussagekräftige Messdaten von der Sonne, sondern die Möglichkeit, alle Systeme mit natürlichem Sonnenlicht zu testen und zu kalibrieren. Als der Kran in der großen Halle, die dem Sunrise III-Team am Esrange Space Center als Wirkungsfeld dient, das sechs Tonnen schwere Observatorium einige Zentimeter angehoben hat, kann es losgehen. Das Hallentor öffnet sich; zum ersten Mal richtet sich die Gondel selbsttätig zur Sonne aus – ganz so, wie es auch während des Forschungsfluges erfolgen soll. Sonnenstrahlen fallen in das Teleskop und erreichen von dort die wissenschaftlichen Instrumente und das Bildstabilisierungssystem. Vor ihren Computerbildschirmen tiefer in der Halle verfolgen die wissenschaftlich-technischen Teams, wie die Systeme auf das Sonnenlicht reagieren.

Sunrise III ist mit drei wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet. Gemeinsam liefern sie umfassende Messdaten aus der Region knapp unterhalb der sichtbaren Sonnenoberfläche bis in die obere Chromosphäre, etwa 2000 Kilometer darüber. Dafür fangen sie das infrarote, sichtbare und ultraviolette Licht aus dieser Region ein und können so dynamische Prozesse und Magnetfelder sichtbar machen. Zudem enthält Sunrise III ein ausgeklügeltes System zur Bildstabilisierung. Es sorgt dafür, dass das Observatorium auch am schwankenden Ballon hochpräzise Daten aufzeichnet. Wollte ein Sportschütze ähnlich „wackelfrei“ schießen, müsste er sein Sportgerät so ruhig halten, dass der Schuss auf sieben Kilometern Entfernung um maximal die Dicke eines Haares abgelenkt wird.

Zwischenschicht mit gewaltigem Temperatursprung
Die Chromosphäre der Sonne liegt zwischen ihrer sichtbaren Oberfläche und ihrer äußeren Atmosphäre, der Korona. In dieser Verbindungsschicht vollzieht sich ein gewaltiger Temperatursprung: von den vergleichsweise mäßigen 6000 Grad Celsius an der Oberfläche bis zu 20.000 Grad Celsius. In den darüber gelegenen Schichten steigen die Temperaturen dann sogar auf ein Million Grad Celsius an. „Selbst nach Jahrzehnten moderner Sonnenforschung ist die Chromosphäre noch immer rätselhaft“, so Solanki. „Dort spielt sich eine Vielzahl von Prozessen ab, die die Korona mit Energie versorgen und die wir noch nicht im Einzelnen verstehen“, fügt er hinzu. Im Zusammenspiel erzeugen diese Prozesse nicht nur die unfassbar hohen Temperaturen der Korona, sondern ermöglichen auch die heftigen Eruptionen, in denen die Sonne immer wieder Teilchen und Strahlung ins All schleudert. Die Messdaten von Sunrise III werden die bisher beste Höhenauflösung aus der Chromosphäre liefern: Präziser als je zuvor wird es möglich sein, einzelne Vorgänge einer genauen Höhe über der Oberfläche zuzuordnen. „Mit Sunrise III können wir die Vorgänge in der Chromosphäre besser als je zuvor verfolgen“, so Sunrise III-Projektwissenschaftler Dr. Achim Gandorfer.

Bis der abenteuerliche Flug von Sunrise III beginnt und das Observatorium erste Messdaten sammelt, werden noch einige Wochen vergehen. In dieser Zeit werden alle Systeme in Betrieb genommen und die Abläufe während des Flugs geübt. „Der Flug dauert nur einige Tage. Da muss von Anfang an alles reibungslos funktionieren“, so Korpi-Lagg. Je nach Windgeschwindigkeit erreicht Sunrise III den unbewohnten Nordosten Kanadas nach etwa fünf bis sieben Tagen. Dort landet das Observatorium am Fallschirm.

Den genauen Starttermin bestimmt das Wetter. Bei Niederschlag kann Sunrise III nicht starten; zudem ist Windstille erforderlich. „Unsere Vorbereitungen laufen nach Plan. Anfang Juni sind wir startklar“, so Korpi-Lagg. Die letzte Phase des Abenteuers hat begonnen.

Das ballongetragene Sonnenobservatorium Sunrise III ist eine Mission des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS, Deutschland) und des Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins Universität (APL, USA). Sunrise III blickt mit Hilfe eines 1-Meter-Teleskops, dreier wissenschaftlicher Instrumente und eines Systems zur Bildstabilisierung aus der Stratosphäre auf die Sonne. Maßgeblich Mitwirkende an der Mission sind ein spanisches Konsortium, das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ, Japan), und das Leibniz-Institut für Sonnenphysik (KIS, Deutschland). Das spanische Konsortium wird geleitet vom Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA, Spanien) und besteht zudem aus dem Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), der Universitat de València (UV), der Universidad Politécnica de Madrid (UPM) und dem Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Weitere Partner sind das Wallop’s Flight Facility Balloon Program Office (WFF-BPO) der NASA und die Swedish Space Corporation (SSC). Sunrise III wird unterstützt von der Max-Planck-Förderstiftung, der NASA im Rahmen des Grants #80NSSC18K0934, dem spanischen Grant FEDER/AEI/MCIU (RTI2018-096886-C5) und des „Center of Excellence Severo Ochoa“ Preises für IAA-CISC (SEV-2017-0709) sowie dem ISAS/JAXA Small Mission-of-Opportunity program und JSPS KAKENHI JP18H05234.

Sunrise III-Factsheet
pdf: https://www.raumfahrer.net/wp-content/uploads/2021/01/SunriseIIIFactsheetDE.pdf

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• SUNRISE – Sonnenobservatorium am Ballon

Der Beitrag Am Polarkreis: Erste Sonnenstrahlen für Sunrise III erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: NASA.

Bis jetzt war bekannt, dass Solarwinde Radiosignale und die Satellitenkommunikation beeinträchtigen. Eine neue Studie, die von der NASA finanzierte wurde, zeigte, dass Solarwinde auch einen großen Einfluss auf die Reduktion unserer Ozonschicht haben. Bei dieser Studie wurden die im Herbst des Jahres 2003, während den heftigen Solarwinden, aufgenommene Daten genauer untersucht. Die Solarwinde verursachten dabei die höchste bis jetzt gemessene Ablagerung von hochenergetischen Solarpartikeln in der oberen Stratosphäre unserer Erdatmosphäre über der Arktis und im Norden von Nordamerika, Europa und Asien.
Bis jetzt hat die Ozonschicht (die hauptsächlich aus Sauerstoff besteht) das Leben auf der Erde von der gefährlichen ultravioletten Strahlung aus dem Weltall geschützt. In letzter Zeit hat sich die Ozonschicht aber vor allem in den oberen Breitengraden der nördlichen und südlichen Hemisphäre um den Polen deutlich verdünnt. Grund dieser Ozonschichtverminderung ist eine chemische Reaktion in der unteren Stratosphäre (15 bis 20 Kilometer Höhe) die durch Industriegase wie den FCKWs (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) hervorgerufen wird.

Im Herbst 2003 konnten die Wissenschaftler in der Nordpolgegend eine Ozonreduktion in der oberen Stratosphäre von bis zu 60 Prozent feststellen. Zuerst konnten sich die Wissenschaftler diese Reduktion nicht erklären, da der Prozess komplett anders vor sich ging, als bei der chemischen Reaktion der Industriegase in der unteren Stratosphäre. Erst als ein internationales Wissenschaftlerteam Satellitendaten auswertete, stellten sie fest, dass die Ozonverminderung durch eine Kombination von energiereichen Solarpartikel, welche nach den heftigen Solarwinden in die Erdatmosphäre geschleudert wurden und ungewöhnlichen Wetterverhältnissen in der Stratosphäre selbst hervorgerufen wurde.

„Der arktische Winter 2003-2004 war einzigartig,“ sagte Dr. Gloria Manney, eine NASA-Wissenschaftlerin.“ Zuerst endete der Polarwirbel, ein massives Tiefdrucksystem, welches die Luft über der Arktis in Bewegung versetzt, in einer mächtigen Erwärmung der Stratosphäre, welches vom Januar bis Februar 2004 andauerte. Normalerweise dauern solche Erwärmungen nur wenige Tage. Im Februar und März erreichten dann der Wirbel sein Maximum und breitete sich bis weit in die obere Stratosphäre aus. Der Tiefdruckwirbel erlaubte den Stickstoffgasen, welche ungefähr zehn Kilometer über der Stratosphäre als Ergebnis einer von energiereichen Solarpartikeln ausgelösten chemischen Reaktion entstehen, leichter als normalerweise in die Stratosphäre abzusinken.“

Während der letzte arktische Winter 2004-2005 ungewöhnlich kalt war, waren die letzten sechs Winter ungewöhnlich warm. Diesen ungewöhnlich warmen Wintern ist wieder eine Periode ungewöhnlich kalter Winter vorausgegangen. Manney weist darauf hin, dass es von hoher Bedeutung ist, zu verstehen, warum die arktische Stratosphäre von Jahr zu Jahr variiert und Forscher in Zukunft bei Trendbestimmungen der atmosphärischen Zirkulationen, Temperaturen, Ozonschichten und Klimawandel sorgfältig die Natur nicht unberücksichtigt lassen dürfen.

Durch diese Studie wurde die unglaubliche Komplexität der Arktisregion unterstrichen und gezeigt, dass weitere Forschungen notwendig sein müssen, um die Vorgänge in der Stratosphäre besser verstehen zu können und unsere Ozonschicht und nicht zuletzt auch uns selber vor den gefährlichen Strahlungen des Weltraums schützen zu können.

Der Beitrag Solarwinde beschädigen unsere Ozonschicht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.