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

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Quelle: Universität Stuttgart.

15. November 2021 – Der Schwerpunkt des Workshops liegt auf Geräten, die von flugzeug- oder ballongestützten Plattformen getragen werden und innerhalb des nächsten Jahrzehnts von europäischen Institutionen gebaut und betrieben werden können. Bis neue Weltraumteleskope für diesen Wellenlängenbereich zur Verfügung stehen, soll so gewährleistet werden, dass Forschende zu jeder Zeit Zugriff auf diesen für Fragen zur Entstehung des Universums so wichtigen Strahlungsbereich haben.

Bereits im Juli 2021, haben Astronomen und Astronominnen die wissenschaftlichen Prioritäten der europäischen Infrarot-/Submillimeter-Astronomie in einem ersten Workshop mit dem Untertitel „Prospects and Opportunities“ herausgearbeitet und damit den Bedarf an weiteren Beobachtungsmöglichkeiten bei diesen Wellenlängen untermauert. Wie zu erwarten wird sich ein Großteil der zukünftigen Infrarot- und Submillimeter-Weltraumforschung voraussichtlich mit galaktischen Themen wie dem Sonnensystem, der Entstehung von Sternen und Planeten, dem interstellaren Medium sowie der späten Sternentwicklung beschäftigen. Bemerkenswert ist allerdings, dass sich etwa ein Drittel der im ersten Workshop genannten Themen mit nahen oder hochrotverschobenen Galaxien, also mit extragalaktischen Objekten befasst hat.

Um den wissenschaftlichen Anforderungen zukünftiger Projekte gerecht werden zu können, benötigen die Forschenden vor allem Spektrometer mit einer hohen spektralen Auflösung und möglichst vielen Pixeln, um spektrale Kartierungen des Himmels möglichst effizient zu gestalten. Die dafür notwendige Miniaturisierung von Komponenten und Einsparung an Gewicht und elektrischem Leistungsbedarf sollte durch neue Detektortechnologien für die jeweiligen Wellenlängenbereiche erreichbar sein. Dabei muss die neue Generation von Instrumenten auch Konfigurationen bieten, bei denen höhere Empfindlichkeiten auf Kosten geringerer spektraler Auflösung erreicht werden. Rund 25 % der aufgeführten zukünftigen Studien legen ausschließlich Wert auf Empfindlichkeit und benötigen eher kameraartige Instrumente. Dabei befassen sich viele photometrische Beobachtungen bei großen Wellenlängen mit Polarimetrie zur Kartierung von Magnetfeldern.

Für die meisten künftigen Infrarot- und Submillimeter-Projekte ist eine Installation der Instrumente an Bord des fliegenden Stratosphären Observatoriums SOFIA ausreichend. In einigen Fällen sind allerdings Stratosphären-Ballone die bevorzugte Plattform, da sie in noch größere Höhen aufsteigen können und daher die verbleibende Atmosphäre die Beobachtungsdaten weniger verunreinigt.

In dem im November bevorstehenden zweiten Workshop werden Entwickler-und Entwicklerinnen, ihre Ideen für neue, innovative Instrumentenlösungen zur Beantwortung der wissenschaftlichen Fragen vorstellen, die im ersten Workshop identifiziert wurden. „Wir erhoffen uns eine angeregte Diskussion über technologische Lösungen sowie die Verfügbarkeit der wesentlichen Technologien, Entwicklungszeiträume und Finanzierungsmöglichkeiten für zukünftige Infrarot- und Submillimeter-Instrumente“, so Bernhard Schulz, Hauptorganisator der beiden Workshops und SOFIA Science Mission Operations Deputy Director vom Deutschen SOFIA Institut, das an der Universität Stuttgart den Betrieb von SOFIA auf deutscher Seite koordiniert.

Im Frühjahr 2022 soll eine Zusammenfassung beider Workshops mit den wichtigsten wissenschaftlichen Zielen sowie den vorgeschlagenen Instrumentenlösungen in einem sogenannten „White Paper“ erscheinen, das in Synergie mit der kürzlich veröffentlichten SOFIA-Instrumenten-Roadmap der NASA, eine Referenz für Instrumentenbauer im nächsten Jahrzehnt bereitstellt. Eine detaillierte (englische) Zusammenfassung des ersten Workshops ist bereits verfügbar.

Über SOFIA
SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301 und 50OK1701) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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