Quelle: Forschungszentrum Jülich 10. August 2023.

10. August 2023 – Erste Messdaten werden Ende des Jahres erwartet. Mit ihrer Hilfe sollen unter anderem neue Erkenntnisse zum Klimawandel gewonnen werden.

ARCADE ist ein Mikrosatellit mit einem Volumen von etwa 27 Litern. Er trägt als wissenschaftliche Hauptnutzlast ein Fernerkundungsgerät aus Jülich, das mit einem neuartigen Spatial Heterodyne Interferometer (SHI) ausgestattet ist. Dabei handelt es sich um eine gemeinsame Entwicklung des Jülicher Instituts für Stratosphäre sowie des Instituts für Systeme der Elektronik, in die zahlreiche Student:innen des Instituts für Atmosphären- und Umweltforschung der Bergischen Universität Wuppertal eingebunden waren. Projektleiter ist Dr. Martin Kaufmann vom Institut für Stratosphäre. Das Instrument ermöglicht es, die mittlere und obere Atmosphäre (Mesosphäre und untere Thermosphäre) zu erforschen. Die gewonnenen Daten spielen eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung wertvoller Temperaturinformationen, die zu genaueren Erkenntnissen über die Dynamik der äquatorialen Breiten führen.

In Kombination mit den Daten der Compact Ionosphere Probe (CIP), einem von der National Central University in Taiwan entwickelten Gerät, werden diese Messungen Aufschluss über die Einwirkung der unteren Atmosphäre auf die Ionosphäre geben und wertvolle Informationen über Strukturen in der äquatorialen Ionosphäre liefern. Diese Erkenntnisse liefern einen wichtigen wissenschaftliche Beitrag, um die Auswirkungen des Klimawandels in dieser Region besser vorherzusagen und die Zuverlässigkeit von Satellitenkommunikationssystemen sowie die Genauigkeit von GNSS-Diensten für die Navigation verbessern zu können.

Das SHI-Projekt erhielt fachliche Unterstützung von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und wurde auch vom Europäischen Metrologie-Programm für Innovation und Forschung gefördert. Die Entwicklung von ARCADE erfolgte am Satellite Research Centre an der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur als wichtiger Bestandteil des International Satellite Program in Research and Education (INSPIRE). Neben der NTU sind auch Institutionen aus Deutschland, Taiwan, Indien und den USA an dieser faszinierenden Mission beteiligt.

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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: Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik e.V. an der Universität Rostock 4. Januar 2023.

4. Januar 2023 – Das Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik startet mit voller Kraft ins neue Jahr: Gleich zwei Projekte konnten die Forschenden der Abteilung Optische Sondierung an Land ziehen.

Unter dem Kürzel DEFINE („Density Field in the MLT“) bereitet das Kühlungsborner Institut in Kooperation mit Partnern aus Norwegen und Schweden in den kommenden Monaten einen Raketenstart vor. Ziel ist es, Parameter in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre zu messen und Aussagen zur Strahlungsbilanz zu treffen. Die Rakete soll im Jahr 2025 aus dem norwegischen Andøya starten. Das Projekt DEFINE wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit 3 Millionen Euro gefördert. Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

Gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Greifswald arbeitet das Institut zudem an einer neuartigen Lidar-Methode, um Staubpartikel von Meteoren in der mittleren Atmosphäre zu beobachten. Dafür stellt die Deutsche Forschungsgemeinschaft dem Kühlungsborner Institut 300.000 Euro bereit. Starttermin für dieses Forschungsprojekt ist im Juni 2023.

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• Planet Erde

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Erstellt von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA, UC Berkeley

Techniker und Wissenschaftler haben die von ihnen erdachten und konstruierten Instrumente für ICON zwischenzeitlich nach Utah geschickt, wo die Geräte vor der Integration in den Satelliten noch einmal ausführlich getestet werden sollen.

ICON alias Helio-EX 1 ist ein Projekt der US-amerikanischen Luft- und Raumfahragentur (National Aeronautics and Space Administration, NASA) unter Führung der Universität Berkeley aus dem US-amerikanischen Bundesstaat Kalifornien (Berkeley Universitiy of California, UC Berkeley).

Das Projekt, das mit Unterstützung von Forschern und Ingenieuren aus der ganzen Welt realisiert wird, ist dazu gedacht, weitere Erkenntnisse zum Verständnis der Beziehungen zwischen der Erdatmosphäre und den Bedingungen im umgebenden Weltall zu liefern. Mit Hilfe von ICON wird man letztlich der Verbindung des Weltraumwetters mit dem irdischen Wetter auf den Grund gehen können. Entsprechend erfolgte die Namensgebung des Raumfahrzeugs: ICON steht für Ionospheric Connection Explorer.

Thomas Immel ist der leitende Wissenschaftler für die ICON-Mission und davon überzeugt, dass ICON unsere Vorstellungen von der Grenzregion zwischen Erdatmosphäre und Weltraum verändern wird. Immel: „Von unserer Arbeitsgruppe aus Berkeley und von unseren Partner-Institutionen aus dem ganzen Land wurden Instrumente auf dem allerneusten Stand geliefert. Sie werden uns helfen, ein vollständigeres Bild von den Ursachen zu bekommen, die für die Veränderungen in der Ionosphäre verantwortlich sind.“Die Ionosphäre ist die Grenzregion, in der die Sonne eine Ionisation chemischer Bestandteile bewirkt und für einen durchaus wechselhaften Strom geladener Teilchen sorgt.

Gemäß Immel verursacht der andauernde Kampf der Kräfte der Sonne mit dem Wettersystem der Erde rund 100 Meilen (~160 km) über unseren Köpfen extreme und nicht vorhersagbare Veränderungen. ICON soll die in der Ionosphäre und im erdnahen Raum wirkenden Kräfte untersuchen und den Weg bereiten für ein Verständnis von Störungen in der Ionosphäre, die erhebliche Interferenzen mit Kommunikations- und Navigationssignalen verursachen können.

Laut Immel wurden die Veränderungen in der Ionosphäre erst seit etwa zehn Jahren im Rahmen von Beobachtungen festgestellt, und noch verstehen Wissenschaftler nicht, was diese Veränderungen auslöst: „Wir sehen Plasma, das sich entlang des Äquators rund um die Erde ausdehnt, und sich wieder zurückzieht, und unsere Modelle können das nicht beschreiben. Um herauszufinden, warum das so ist, bauen wir ICON.“

Die Veränderungen im Plasma erfolgen auch, wenn die Sonne relativ ruhig ist. Den Antrieb für den Wechsel in der Plasmaverteilung sucht man derzeit in einer Kombination von Winden (Strömungen neutraler Teilchen) in der Thermosphäre, ihrer lokalen Zusammensetzung aus neutralen oder ionisierten Teilchen entlang der Feldlinien des Erdmagnetfelds und der Temperatur.

Immel und seine Arbeitsgruppe sind verantwortlich für eine zeitnahe Umsetzung der Mission, von der man in der Wissenschaftsgemeinschaft Daten erwartet, die bei der Aufklärung der Vorgänge in der Ionosphäre über dem Äquator und zum Verständnis der beobachteten Dynamik helfen.

Damit die zu erfüllenden Aufgaben gelöst werden können, erhält ICON vier Instrumente. Zwei Spektrographen für ultraviolette Strahlung kommen von der UC Berkeley. Sie dienen der Erfassung von Licht im extremen (EUV) und fernen (FUV) Ultraviolett zur Plasmadichtebestimmung. Das MIGHTI (Michelson Interferometer for Global High resolution imaging of the Thermosphere and Ionosphere) genannte Interferometer dient primär der Erfassung von Daten zur Windgeschwindigkeit und Temperatur in der Hochatmospähre und wird vom Meeresforschungslabor Virginia (Naval Research Laboratory, NRL) beigesteuert. Das Messgerät für die Geschwindigkeit, Temperatur und Anzahl von Ionen (Ion Velocity Meter, ION) entstand in Dallas an der Universität Texas (UT Dallas).

Die vier Instrumente wurden im März 2016 an das Labor für Weltraum-Dynamik (Space Dynamics Laboratory, SDL) der Universität Utah in Logan geliefert, wo sie auf die Nutzlastplattform (Payload Interface Plate, PIP) für den Satelliten montiert werden. Integration auf der Nutzlastplattform und Tests des gemeinsamen Betriebs (integration and testing, I&T) sind zentrale Schritte bei der Vorbereitung der Satellitenmission.

In den kommenden Monaten wird die Nutzlastplattform zusammen mit den darauf montierten Instrumenten eine Reihe von Tests überstehen müssen. Auf dem Programm stehen unter anderem Vibrationstests und solche unter unterschiedlicher Temperatureinwirkung.

Nach Abwicklung der anstehenden Tests soll die vollständige Beobachtungsnutzlast für ICON zum Luft- und Raumfahrtunternehmen Orbital ATK im US-Bundesstaat Virginia gebracht werden, idealerweise noch im Verlauf dieses Jahres. Dort wird das Nutzlastmodul mit dem sogenannten Satellitenbus verbunden, der alle raumflugtechnischen Systeme, darunter Antrieb, Stromversorgung und Kommunikationstechnik, von ICON enthält.

Der Satellitenbus vom Typ LEOStar 2 wird von Orbital ATK bereitgestellt. Aufgabe von Orbital ATK ist es auch, das komplettierte Raumfahrzeug mit einer Gesamtmasse von rund 272 Kilogramm soweit vorzubereiten, dass es im Frühjahr 2017 mit dem vorgesehenen Träger, einer Rakete des Typs Pegasus-XL von Orbital ATK, verbunden werden kann.

Die ICON-Wissenschaftler sind derweil damit beschäftigt, Software, die zum Herunterladen von durch die Instrumente von ICON erfassten Daten und ihrer Bearbeitung dient, fertigzustellen. Gelingt der Start von ICON, der im Juni 2017 stattfinden könnte, wie vorgesehen, werden die Wissenschaftler schon bald mit richtigen Messdaten hantieren können, und nicht mehr nur mit simulierten Daten, wie es bei erforderlichen Tests der Fall ist.

Empfangen will man die Daten über die Bodenstationen Berkeley, Wallops (WGS) und Santiago. Datensendungen sollen im S-Band mit einer Geschwindigkeit von 3,5 Megabit pro Sekunde erfolgen. An Bord des Satelliten ist eine Speicherkapazität von 16 Gigabit vorgesehen.

Zum Startdatum gibt es aktuell abweichende Informationen. Die NASA nennt beispielsweise Juni 2017, aber auch Oktober 2017.

Im All soll ICON mindestens zwei Jahre lang wissenschaftliche Daten sammeln. Die geplante annähernd kreisförmige Umlaufbahn des Raumfahrzeugs in einer Höhe vom 575 Kilometern ist 27 Grad gegen den Erdäquator geneigt.

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Ein Beitrag von Julian Schlund. Quelle: UCAR. Vertont von Julian Schlund.

„Wir sehen, wie sich der Klimawandel sowohl in der unteren als auch in der oberen Atmosphäre vollzieht“, zitiert das National Center for Atmospheric Research der USA den hauseigenen Wissenschaftler Stan Solomon, der sich kürzlich als Co-Autor an einer neuen Studie beteiligt hat, an der Forscher verschiedenster Institute teilnahmen.

Als Ursache nennt Solomon den weitreichenden Einfluss der Treibhausgase auf die Natur.

Auch die Thermosphäre als oberste Schicht unserer Atmosphäre ist von konkreten Folgen der dort unnatürlich hohen Kohlendioxidkonzentration scheinbar nicht ausgeschlossen. Dies geht aus den vorhin angesprochenen, neuesten Studien von Wissenschaftlern hervor, die anhand der Beobachtung von Satillitenumlaufbahnen Rückschlüsse auf etwaige Veränderungen in der Thermosphäre ziehen konnten. Das Ergebnis: die Dichte der Thermosphäre, die rund 95 Kilometer über der Erdoberfläche beginnt und bis knapp 650 Kilometer hinaufreicht, ist am Abnehmen. Daraufhin erstellte Hochrechnungen besagen eine ungefähre Verringerung der Thermosphärendichte um drei Prozent bis zum Jahr 2017.

Warum das Abkühlen der Thermosphäre ein Zeichen globaler Erwärmung ist
Kohlendioxid kühlt die Thermosphäre ab, wenngleich es auf die Troposphäre, also die oberflächennahe Atmosphärenschicht, bekanntermaßen einen erwärmenden Effekt besitzt. Dieses Paradoxon lässt sich ganz einfach durch die abnehmende Dichte der Atmosphäre mit steigender Höhenlage erklären: nahe der Erdoberfläche absorbiert Kohlendioxid die der Erde entweichende Wärmestrahlung. Bevor die CO₂-Moleküle nun aber die höheren Atmosphärenschichten erreichen, wo sie die aufgenommene Energie wieder in den Weltraum abgeben können, kollidieren sie noch in der unteren Atmosphäre mit anderen Molekülen, die sie zur Wiederfreigabe der gespeicherten Energie in Form von Wärmestrahlung zwingen. Die Folge ist einleuchtend: Erwärmung.

In der Thermosphäre, die eine wesentlich geringere Dichte aufweist als die unteren Atmosphärenschichten, kehrt sich der Prozess um: das CO₂-Molekül absorbiert auch hier Energie, etwa, wenn es mit einem Sauerstoff-Molekül zusammenstößt. Nun hat es wegen der – wie gesagt – sehr geringen Dichte in dieser Atmosphärenschicht allerdings genügend Zeit, seine Energie ins All abzustrahlen, bevor eine erneute Kollision stattfindet. Die Folge ist ein abkühlender Effekt, gleichzeitig mit einem leichten Absinken der Thermosphäre nach unten.
Zyklische Sonnenaktivität
Einfluss auf die Thermosphäre hat auch der sogenannte 11-Jahres-Zyklus, der bezüglich der Sonnenaktivität festzustellen ist. Während der aktiven Phase dieses Zyklus‘ treffen UV-Strahlung und geladene Partikel verstärkt auf unseren Planeten, was eine Erwärmung und Ausdehnung der Thermosphäre zur Folge hat. Umgekehrt kühlt sich die Thermosphäre ab, wenn die Sonnenaktivität abnimmt. Dieser Vorgang hat eine so große Auswirkung auf die Thermosphäre, dass der Rückgang letzterer bei einem Aktivitätsminimum vier Mal so groß wäre als im Falle eines Aktivitätsmaximums der Sonne.

Einfluss auf Satelliten
Viele Satelliten, aber auch die ISS und das Hubble Space Telescope, befinden sich in einer sehr erdnahen Umlaufbahn in einer Höhe von lediglich drei- bis fünfhundert Kilometern. Im Laufe der Zeit werden die Satelliten mehr und mehr durch die obere Atmosphäre gebremst und verlieren dabei an Höhe. Ausschlaggebend für die Größe dieses Einflusses sind wiederum jene thermosphärischen Dichteschwankungen, wegen der sich die Satellitenplaner nach besseren Vorhersagemöglichkeiten letzterer sehnen.
Genau hier knüpfte nun die nächste Aufgabe für das US-Forscherteam an: ihr „NCAR“-Modell in die Kalkulationen für den nächsten solaren Zyklus bestmöglich einzubetten, um die Prognosen über thermosphärische Veränderungen zu perfektionieren, die für die Raumfahrtindustrie von so entscheidender Bedeutung sind.

Nach erfolgreichem Verknüpfen der beiden Faktoren zu einer Gesamtrelation kam man schließlich auf einen Rückgang in der thermosphärischen Dichte um circa drei Prozent als Hochrechnung bis zum Jahr 2017. Kurz: die oberste Atmosphäre wird sich in den nächsten zehn Jahren um drei Prozent „verdünnen“.

Weiterführende Informationen:

• Globale Erwärmung

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