Quelle: DESY 12. April 2024.

12. April 2024 – Turbulenz ist in der Natur allgegenwärtig. Sie existiert in unserem täglichen Leben genauso wie im fernen Universum und ist von Richard Feynman als „das letzte große ungelöste Problem der klassischen Physik“ bezeichnet worden. Huirong Yan, Leitende Wissenschaftlerin bei DESY und Professorin am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam entdeckte jetzt mit ihrer Arbeitsgruppe ein lang vorhergesagtes Phänomen: den Übergang von schwachen zu starken Plasmaturbulenzen im Weltraum. Sie wurden bei der Analyse von Daten der Cluster-Mission darauf aufmerksam – einer Weltraummission der ESA, bestehend aus einer Konstellation von vier Raumsonden in der Erdumlaufbahn, welche erforschen, wie Sonne und Erde interagieren.

Der Übergang von schwacher zu starker Alfvénischer Turbulenz ist die kritischste, bisher durch Beobachtungen nicht bestätigte Vorhersage der magnetohydrodynamischen (MHD) Turbulenztheorie der letzten drei Jahrzehnte. Sie ist besonders schwierig, weil die dreidimensionale Abtastung von Turbulenzänderungen bisher nicht möglich war. Daher entwickelte das Forschungsteam neue Analysemethoden, um dreidimensionale Informationen über Geschwindigkeits- und Magnetfeldänderungen zu erhalten und damit Beobachtungen und theoretische Vorhersagen vergleichen zu können. „Die beobachtete Bestätigung des Übergangs von schwacher zu starker Turbulenz löst nun das letzte Rätsel der MHD-Turbulenztheorie: Sie belegt, dass sich die Turbulenz unabhängig von anfänglichen Störungen während der Energiekaskade mit zunehmender Nichtlinearität von linearen wellenförmigen 2D-Fluktuationen zu starker 3D-Turbulenz selbstorganisiert, was die Allgemeingültigkeit der starken MHD Turbulenz unterstreicht“, sagt Huirong Yan.

Im Ergebnis vertiefen diese Erkenntnisse unser Wissen über die Turbulenz erheblich. Ihre Auswirkungen erstrecken sich über die Untersuchung der Turbulenz selbst hinaus auf Teilchentransport und -beschleunigung, auf Strukturänderungen von Magnetfeldern, auf die Sternentstehung und alle anderen relevanten physikalischen Prozesse von unserer Erde bis zum fernen Universum.

Originalveröffentlichung
Siqi Zhao, Huirong Yan et al., 2024, Identification of the weak-to-strong transition in Alfvénic turbulence from space plasma, Nature Astronomy
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02249-0
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02249-0.pdf

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: Universität Potsdam 20. Dezember 2023.

20. Dezember 2023 – Es gelang zum ersten Mal, die abgestrahlten Gravitationswellen, die Kilonova und das Nachleuchten des Gammastrahlenausbruchs der am 17. August 2017 beobachteten Verschmelzung zweier Neutronensterne parallel zu modellieren und zu interpretieren.

Die Studie und die dafür entwickelte Code-Infrastruktur liefern präzise Hinweise auf die Eigenschaften der Kernmaterie und bilden die Grundlage für die Analyse zukünftiger Ereignisse. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Unsere neue Methode wird dabei helfen, die Eigenschaften von Materie bei extremen Dichten zu untersuchen. Außerdem ermöglicht sie ein genaueres Verständnis davon, wie sich das Universum ausdehnt, und von der Art und Weise, wie und in welchem Ausmaß die schweren Elemente bei Neutronensternkollisionen entstehen“, erklärt Tim Dietrich, Professor an der Universität Potsdam und Leiter einer Max-Planck-Fellow-Gruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Dietrich ist als korrespondierender Autor an der Veröffentlichung beteiligt.

Ein Neutronenstern ist ein extrem dichtes astrophysikalisches Objekt, das am Ende der Lebensdauer massereicher Sterne bei einer Supernova-Explosion entsteht. Ähnlich wie andere kompakte Objekte kreisen einige Neutronensterne in Doppelsternsystemen umeinander. Durch das kontinuierliche Aussenden von Gravitationswellen – kleinen Störungen im Gefüge der Raumzeit – verlieren sie Energie und stoßen schließlich zusammen. Solche Verschmelzungen ermöglichen es den Forschenden, physikalische Prinzipien unter den extremsten Bedingungen im Universum zu untersuchen. So führen die Bedingungen dieser hochenergetischen Kollisionen zur Entstehung schwerer Elemente, wie z. B. Gold. Verschmelzende Neutronensterne sind tatsächlich einzigartige Untersuchungsobjekte, um die Eigenschaften von Materie bei Dichten zu erforschen, die weit über denen von Atomkernen liegen.

Die neue Methode wurde auf die erste und bisher einzige Beobachtung eines verschmelzenden Doppel-Neutronensternsystems angewandt. Bei dieser am 17. August 2017 entdeckten Verschmelzung hatten die letzten paar tausend Umläufe der Sterne umeinander die Raumzeit so stark verwirbelt, dass Gravitationswellen entstanden, die von den terrestrischen Gravitationswellenobservatorien Advanced LIGO und Advanced Virgo nachgewiesen wurden. Bei der Verschmelzung der beiden Sterne wurden neu gebildete schwere Elemente ausgestoßen. Ein Teil dieser Elemente zerfiel radioaktiv, was zu einem Anstieg der Temperatur führte. Ausgelöst durch diese thermische Strahlung war bis zu zwei Wochen nach der Kollision ein elektromagnetisches Signal im optischen, infraroten und ultravioletten Bereich zu beobachten. Außerdem wurde zusätzliches Material durch einen Gammablitz ausgestoßen, ebenfalls ausgelöst durch die Kollision der Neutronensterne. Durch die Reaktion der Neutronensternmaterie mit dem umgebenden Medium wurden Röntgen- und Radiostrahlen erzeugt, die auf einer Zeitskala von Tagen bis zu Jahren beobachtet werden konnten.

Das neue Tool zur simultanen Auswertung astrophysikalischer Daten aus verschiedenen Quellen ermöglicht es den Forschenden, alle diese Signale gleichzeitig zu interpretieren. Zusätzlich können Informationen aus Radio- und Röntgenbeobachtungen von Neutronensternen (z. B. vom NICER-Teleskop der NASA), kernphysikalische Berechnungen und sogar Daten aus Schwerionenkollisionsexperimenten an erdgebundenen Beschleunigern miteinbezogen werden. „Wir können nun über den bisher üblichen schrittweisen Kombinationsprozess hinausgehen. Indem wir die Daten zusammenhängend und gleichzeitig analysieren, erhalten wir präzisere Ergebnisse“, sagt Peter T. H. Pang, Wissenschaftler an der Universität Utrecht, Erstautor der Publikation und Hauptentwickler des Codes. Um die neue Software in den kommenden Jahren weiterzuentwickeln, wurde Dietrich 2022 mit einem European Research Council (ERC) Starting Grant in Höhe von 1,5 Millionen Euro ausgezeichnet.

Derzeit führen die Gravitationswellen-Detektoren ihren vierten wissenschaftlichen Beobachtungslauf durch. Die nächste Entdeckung einer Verschmelzung von Neutronensternen könnte täglich erfolgen, und die Forschenden stehen in den Startlöchern, das von ihnen entwickelte Werkzeug erneut einsetzen zu können.

Publikation:
Peter T. H. Pang, Tim Dietrich, Michael W. Coughlin et al.,
An updated nuclear-physics and multi-messenger astrophysics framework for binary neutron star mergers,
2023, Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-023-43932-6

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Universität Potsdam (UP) 7. Dezember 2023.

7. Dezember 2023 – Das Team konnte zeigen, dass es sich um einen universellen Prozess handelt. Der Potsdamer Astrophysiker Dr. Martin Wendt ist an der Studie beteiligt, die jetzt in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde.

Galaktische Winde entstehen durch die Explosion von massereichen Sternen in Galaxien. Dabei wird Materie kegelförmig entlang der Rotationsachse einer Galaxie ausgestoßen, senkrecht zu beiden Seiten der galaktischen Ebene. Durch diesen Prozess wird Materie zwischen Galaxien und ihrer kosmischen Umgebung ausgetauscht und somit das Wachstum von Galaxien begrenzt.

Mithilfe des Instruments Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), das Teil des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile ist, gelang es den Forschenden nun, Galaktische Winde mit einer speziellen Technik sichtbar zu machen. Sie kombinierten dafür Bilder von mehr als 100 Galaxien, die mit sehr langen Belichtungszeiten aufgenommen wurden. Um die Form und Verteilung von Galaktischem Wind zu kartieren, nutzte das Team ausströmende Magnesiumatome.

Die neuen Erkenntnisse können künftig dabei helfen, die Ausdehnung der Winde und die Mengen an Materie, die sie transportieren, genau zu messen. Ko-Autor Dr. Martin Wendt vom Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam sagt: „Es ist immer wieder beeindruckend wie sich unser Bild vom Universum mit neuen Beobachtungen erweitert und verfeinert.“

Link zur Publikation:
Guo, Y., Bacon, R., Bouché, N.F. et al. & Wendt, M. Bipolar outflows out to 10 kpc for massive galaxies at redshift z ≈ 1. Nature 624, 53–56 (2023).
doi.org/10.1038/s41586-023-06718-w
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06718-w

Link zur Pressemitteilung CNRS:
https://www.cnrs.fr/en/press/stellar-winds-regulate-growth-galaxies

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: Universität Potsdam 29. August 2023.

29. August 2023 – Warum spucken Vulkane Lava? Welche Geheimnisse stecken in der Luft? Warum ist Jura schon für Kinder interessant? Und wie kann das Klassenzimmer der Zukunft aussehen? Bei der 18. Potsdamer Kinder-Universität, die am 29. September 2023 auf dem Uni-Campus in Golm stattfindet, werden diese und viele weitere Fragen beantwortet. Außerdem gibt es Spannendes über Schwarze Löcher, das Geheimnis der Schöpfung und des Urknalls sowie die Wunder der Pflanzenwelt zu erfahren. Zu den 13 Vorlesungen werden bis zu 2.000 Kinder der dritten und vierten Klassen erwartet. Das thematische Spektrum reicht von A wie Astronomie bis Z wie Zoologie. Zusätzlich werden einige der Vorlesungen online gestreamt, damit alle, für die der Weg zu weit ist, trotzdem live dabei sein können! Ab dem 5. September 2023 ist die Anmeldung möglich unter https://www.uni-potsdam.de/de/up-entdecken/up-erleben/kinder-universitaet/vor-ort.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus verschiedensten Disziplinen laden die Studierenden von morgen dazu ein, einen Tag lang Uni-Luft zu schnuppern und mehr über ihre spannende Forschung zu erfahren. So erklärt ein Ernährungswissenschaftler, warum uns Süßes so gut schmeckt und wieso es trotzdem nicht nur gut für uns ist. Ein Historiker berichtet davon, was und wie die Menschen in der Antike gegessen haben und wie man darüber heute noch etwas herausfinden kann. Ein Gartenpädagoge vom Botanischen Garten führt durch die Wunder und Kuriositäten der Pflanzenwelt – und das nicht nur mit Bildern, denn er bringt auch welche mit, wie eine Toilettenpflanze oder einen Leberwurstbaum!

Andere Vorlesungen laden zu Reisen und Abenteuern ein: mit einem Astrophysiker ins All zu Schwarzen Löchern, Roten Riesen und Weißen Zwergen, mit einer Geoforscherin in die Welt der brodelnden und zischenden Vulkane oder mit einer Bildungsforscherin ins Klassenzimmer der Zukunft – mit Chatbot auf dem Tablet, VR-Brille und Roboter.

Die erste Vorlesungsstaffel beginnt um 9.30 Uhr, die zweite um 11.15 Uhr. Zuvor werden die Mädchen und Jungen auf dem Campus Golm offiziell begrüßt. Im Anschluss an die Vorlesungen können sie in der Mensa Mittag essen und sich bei Bewegungsspielen des Hochschulsports austoben.

Zeit: 29.August 2023, Begrüßung: 9.00 und 10.45 Uhr
Ort: Campus Golm, Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam
E-Mail: kinderuni(at)uni-potsdam.de
Internet: https://www.uni-potsdam.de/de/up-entdecken/up-erleben/kinder-universitaet

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: Universität Potsdam 23. Mai 2023.

23. Mai 2023 – Am vergangenen Wochenende wurde die Supernova von der Universitätssternwarte aus beobachtet.

Sterne leuchten nicht für immer, sondern haben eine begrenzte Lebensdauer. Sie gewinnen ihre Energie durch die Kernfusion leichter Elemente wie Wasserstoff und Helium. Ist der nukleare Brennstoffvorrat erschöpft, werden die Fusionsprodukte weiter genutzt, um nach und nach schwerere Elemente zu erzeugen. Bei massereichen Sternen kann dieser Prozess bis hin zum Element Eisen fortgesetzt werden. Aus der Fusion von Eisen wird allerdings keine Energie mehr gewonnen. Dadurch lässt der Strahlungsdruck, der den Stern von innen stützt und seiner eigenen Schwerkraft entgegenwirkt, nach. Versiegt dieser vollständig, kollabiert der Stern, was bei besonders massereichen Sternen zu einer gewaltigen Explosion führt. Bei diesem Ereignis, das nur von Sternen mit mehr als der achtfachen Masse der Sonne hervorgerufen werden kann, spricht man von einer Supernova vom Typ II: eine sogenannte Kern-Kollaps Supernova, bei der der Kern des Sterns dem Gravitationsdruck nicht mehr standhalten kann. Die Folge ist ein gewaltiger Helligkeitsausbruch der eine ganze Galaxie überstrahlen kann.

Die in der Nacht vom 19. Mai 2023 durch den japanischen Forscher Koichi Itagaki entdeckte Supernova SN2023ixf gehört in diese Kategorie. In der Galaxie Messier 101, die auch unter dem Namen Feuerradgalaxie bekannt ist, ist nun für einige Tage und Wochen ein neuer Lichtpunkt in einem der Spiralarme zu sehen. Er wird in den kommenden Tagen noch an Helligkeit gewinnen, bevor er wieder langsam in einem der vielen Spiralarme seiner Heimatgalaxie verblasst. „Aktuell ist diese Sternexplosion so hell und kosmisch gesehen nah an der Erde, dass man das Ereignis schon mit einem kleinen Teleskop und einer Kamera live nachverfolgen kann. Zu finden ist sie im Sternbild Ursa Major (Große Bärin), das zu dieser Zeit des Jahres hoch am Abendhimmel steht“, sagt Florian Rünger, Beobachter und Doktorand in der Arbeitsgruppe Astrophysik am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam.

An der Universitätssternwarte in Golm wurden über das vergangene Wochenende einige Helligkeitsmessungen an der Supernova vorgenommen, die im Nachhinein für kosmische Distanzbestimmungen genutzt werden können. Die Datenlage ist aufgrund der kürzlich gemachten Entdeckung noch spärlich, aktuell kommen weltweit immer neue Beobachtungsdaten dazu. Florian Rünger betont: „Das Ereignis beweist, dass wir mit unserer kleinen Sternwarte bereits forschungsrelevante Daten liefern können. Wir haben infolge der Entdeckung die Möglichkeit gehabt, eine der global ersten Helligkeitsmessungen durchführen zu können, und damit hochaktuelle wissenschaftlich relevante Ergebnisse erhalten.“

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• Supernovae

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Quelle: Universität Potsdam 5. Juli 2022.

5. Juli 2022 – Mit der innovativen Hypermodell-Analyse der Forscher können sie Modellentwicklungen testen und systematische Muster in zukünftigen Gravitationswellenbeobachtungen erkennen. Die dazugehörige Publikation erschien nun in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“.

Am Lebensende eines massereichen Sterns kann aus einer Supernova-Explosion ein extrem dichter Neutronenstern entstehen, mit einer Masse von bis zu einer Milliarde Tonnen pro Teelöffel Neutronensternmaterial. Die Verschmelzung zweier sich umkreisender Neutronensterne bedeutet also einen kosmischen Zusammenstoß gewaltigen Ausmaßes. Bei den Kollisionen solcher Sterne wird nicht nur eine enorme Energiemenge freigesetzt. Es werden auch Gravitationswellen, also winzige Änderungen im Gefüge der Raumzeit, ausgesendet. Zwei gut beobachtete Neutronensternfusionen sind GW170817 und GW190425. GW steht für „Gravitationswelle“, der Name bezieht sich auf das Datum, an dem man diese Ereignisse beobachtet hat, also der 17. August 2017 und der 25. April 2019. Sowohl GW170817 als auch GW190425 wurden mit den Laserinterferometern Advanced LIGO und Advanced Virgo hier auf der Erde gemessen. Im Fall von GW170817 konnten sogar elektromagnetische Signale in den Bereichen Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, Ultraviolett, sichtbares Licht, Infrarot und Radiowellen gemessen werden.

Mit Simulationen der numerischen Relativitätstheorie versuchen Forschende weltweit auf Hochleistungsrechnern die Endphase der Verschmelzung und das ausgesendete Gravitationswellensignal zu modellieren. „Die direkte Berechnung von Gravitationswellen ist eine anspruchsvolle Aufgabe“, sagt Tim Dietrich, „denn die Einsteinschen Feldgleichungen, welche die Endphase der Kollision bestimmen, sind extrem schwer zu lösen.“ Daher werden Näherungsmodelle verwendet. „Mit unserem Hypermodell-Verfahren sind wir in der Lage, die Annahmen des Gravitationswellenmodells ohne rechenintensive Simulationen numerischer Relativität, aber dafür mithilfe der beobachteten Gravitationswellendaten zu testen“, erklärt Greg Ashton. Die beiden Wissenschaftler wendeten ihren neuen Ansatz auf die sicher nachgewiesenen Neutronensternkollisionen GW170817 und GW190425 an und fanden heraus, dass ein bestimmtes Wellenmodell die beobachteten Daten etwas besser erklären kann. „Da die Gravitationswellendetektoren dank weiterentwickelter Instrumente in Zukunft noch empfindlicher sein werden, erwarten wir, dass solche feinen Unterschiede deutlicher hervortreten. Die Systematik der Wellenformmodelle zu quantifizieren, wird es uns dann ermöglichen, die grundlegenden physikalischen Prinzipien stärker einzuschränken“, fasst Tim Dietrich zusammen.

Publikation
Gregory Ashton and Tim Dietrich, Understanding binary neutron star collisions with hypermodels, Nature Astronomy, 2022, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01707-x

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• Gravitationswellen

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Quelle: Universität Potsdam 12. Mai 2022.

12. Mai 2022 – Dr. Felix Lang kam 2020 als Gastwissenschaftler mit einem Stipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung an die Universität Potsdam, um gemeinsam mit der Forschungsgruppe PotsdamPero von Dr. Martin Stolterfoht sowie den Teams von Prof. Safa Shoaee und Prof. Dieter Neher am Institut für Physik und Astronomie an Tandem-Solarzellen zu forschen. Diese neuartigen Solarzellen kombinieren zwei Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken, wie zum Beispiel unterschiedliche Perowskite oder organische Halbleiter und Perowskite. Solche Solarzellen können im Vergleich zu traditionellen Silizium-Modulen deutlich höhere Effizienzen erreichen – eine wichtige Weiterentwicklung für die zukünftige Stromversorgung.

Die Faszination für Solarzellen und erneuerbare Energien begleitet Dr. Felix Lang schon seit seinem Physikstudium. Während seiner Doktorarbeit am Helmholtz-Zentrum Berlin entwickelte er die ersten Tandem-Solarzellen aus Perowskit und Silizium. Die neuen Halbleitermaterialien könnten jedoch noch viel mehr, schwärmt er: „Sie tolerieren durch ihre weiche Kristallstruktur nicht nur Fehlstellen oder Defekte, wie sie z.B. durch mechanische Belastung oder Bestrahlung entstehen können. Diese Defekte heilen sich mitunter sogar selbst.“ Das Potenzial von Perowskit-basierten Tandem-Solarzellen für die Stromerzeugung auf Weltraum- oder Mond-Stationen entdeckte Dr. Lang schließlich als Feodor-Lynen-Fellow an der Universität Cambridge.

Als Freigeist-Fellow hat Dr. Felix Lang mit seiner Nachwuchsgruppe „(Radiation-)Tolerant Electronics with Soft Semiconductors (ROSI)“ bereits konkrete Pläne: „Wir wollen neue Strahlungsdetektoren für die Medizin entwickeln, die mit höherer Empfindlichkeit und besserer Auflösung genauere Röntgenbilder bei gleichzeitig geringerer Strahlungsbelastung für den Patienten ermöglichen.“ Außerdem treibt er die Entwicklung von Solarfolien voran, die im Weltraum origami-artig auf Fußballfeld-Größe aufgefaltet werden können, um Strom zu erzeugen. „Zusammen mit Prof. Enrico Stoll, Leiter der Raumfahrttechnik der TU Berlin, wollen wir erste Prototypen OnBoard eines Nanosatelliten in den Weltraum bringen“, erklärt er.

Mit dem Freigeist-Fellowship ist für Dr. Felix Lang eine Förderung von rund 1,8 Millionen Euro über fünf Jahre durch die VolkswagenStiftung verbunden – die höchste Förderung unter allen 13 Freigeist-Fellows in diesem Jahr. Er ist bereits auf der Suche nach motivierten Doktorandinnen und Doktoranden für sein Team.

Informationen zur Nachwuchsgruppe von Dr. Felix Lang:
https://www.uni-potsdam.de/en/pwm/rosi-group

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: Universität Potsdam.

29. April 2022 – Der Klimawandel beeinflusst den Charakter und die Stabilität von Ökosystemen weltweit. In der Theorie kann die Resilienz von Ökosystemen – also die Fähigkeit, äußerem Stress wie Dürren oder Waldbränden zu widerstehen und sich davon zu erholen – aus deren natürlicher Variabilität abgeleitet werden. In ihrer Pilotstudie zur Überwachung von Satellitenbildern aus der Zeit von 1992 bis 2017 zeigen die Forschenden, dass dies tatsächlich möglich ist – und zwar unabhängig vom Vegetationstyp und von der Klimazone.

„Neue Herangehensweisen zur Verarbeitung großer Datensätze ermöglichen es, verbreitete Theorien und Annahmen zur Funktionsweise von Ökosystemen zu prüfen“, sagt der leitende Autor der Studie, Taylor Smith. „Unsere Arbeit bestätigt empirisch eine dieser Theorien. Wir können mit einem einfachen mathematischen Modell messen, wie widerstandsfähig die Vegetation auf äußeren Druck reagiert.“ Co-Autor Prof. Dr. Niklas Boers (TUM/PIK) ergänzt: „Unsere Methode ermöglicht es uns, Veränderungen der Vegetationsresilienz an jedem beliebigen Ort der Erdoberfläche kontinuierlich zu messen. Wir bieten damit einen soliden, empirisch bestätigten Rahmen für die Überwachung der Vegetationsresilienz aus dem Weltraum.“

Die Arbeit zeigt weiterhin, dass die globale Vegetation seit den frühen 2000er Jahren an Resilienz verloren hat. Die Vegetation benötigt nach Störungen eine längere Zeit, um ihr natürliches Gleichgewicht wiederherzustellen. „Je nach Klimazone und Vegetationstyp stellen wir sehr unterschiedliche langfristige Trends bei der Widerstandsfähigkeit fest, aber insgesamt ist die Resilienz in den letzten zwei Jahrzehnten häufiger zurückgegangen“, sagt Taylor Smith. Insbesondere tropische Regenwälder und die borealen Wälder Sibiriens sind anfälliger für Ereignisse wie Waldbrände, Schädlingsbefall und Naturkatastrophen geworden. Zu den möglichen Faktoren, die zu dieser Verschiebung beitragen könnten, gehören natürliche langfristige Schwankungen, der vom Menschen verursachte Klimawandel, die zunehmende Landnutzung und die Entwaldung sowie eine größere Häufigkeit von Dürren und Waldbränden.

„Wir müssen dringend unsere Bemühungen verstärken, mögliche Veränderungen in der Widerstandsfähigkeit der Vegetation zu erkennen und die zugrundeliegenden Faktoren zu verstehen. Wir gehen davon aus, dass die vom Menschen verursachte globale Erwärmung und die veränderte Landnutzung eine wichtige Rolle spielen werden, aber viele Prozesse sind noch nicht gut verstanden, sodass es schwierig ist, das Schicksal der natürlichen Vegetation in den kommenden Jahrzehnten vorherzusagen“, warnt Niklas Boers. „Satellitendaten können hier eine entscheidende Rolle bei der kontinuierlichen Überwachung des Zustands der Vegetation und von Ökosystemen spielen“, fasst Taylor Smith zusammen.

Publikation:
Smith, T., Traxl, D. & Boers, N.: Empirical evidence for recent global shifts in vegetation resilience, Nat. Clim. Chang. (2022): https://www.nature.com/articles/s41558-022-01352-2
pdf: https://www.nature.com/articles/s41558-022-01352-2.pdf

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• Planet Erde

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Quelle: GFZ.

2. September 2021 – Die Weltraumstrahlung ist eines der Hauptprobleme bei der Planung langfristiger bemannter Weltraummissionen. Für den Menschen gefährlich sind sowohl energetische Teilchen der Sonne (SEP) als auch die galaktische kosmische Strahlung (GCR) aus dem Weltall. Ein internationales Team um Yuri Shprits vom GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) und der Universität Potsdam sowie Mikhail Dobynde vom Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Moskau hat nun anhand von umfassenden Simulationen gezeigt, unter welchen Bedingungen eine Mission zum Mars machbar ist, auch wenn sie eine enorme technische Herausforderung darstellt. Hierfür betrachteten die Forschenden die verschiedenen Strahlungstypen und ihre Ausbreitung im Weltraum sowie in ein Raumfahrzeug mit Astronaut*innen-Modell. Die ermittelten Rahmenbedingungen: Der Schutzschild des Raumschiffs sollte ausreichend dick sein, um die mitfliegenden Menschen vor der Strahlung zu schützen, eine gewisse Dicke aber nicht überschreiten, da sonst im Material zu viele Sekundär-Partikel erzeugt werden. Selbst mit einem optimal konstruierten Raumfahrzeug sollte die Reise insgesamt nicht länger als vier Jahre dauern. Und sie sollte im Zyklus der Sonnenaktivität während des Maximums gestartet werden. Dann wird die besonders gefährliche kosmische Strahlung durch die Sonnenaktivität am besten abgeschirmt. Die Ergebnisse sind im Fachmagazin Space Weather erschienen.

Bedrohung Weltraumstrahlung

Eine Reise zum Mars dauert nach aktuellem Stand rund neun Monate in eine Richtung. Während Menschen auf der Erde und in erdnahen Umlaufbahnen durch den Erdkörper und sein Magnetfeld vor Weltraumstrahlung geschützt sind, stellt letztere für Reisen in den tieferen Weltraum, etwa zum Mars, ein erhebliches Risiko dar. Dabei sind Astronaut*innen zwei Arten gefährlicher Strahlung ausgesetzt: Energiereiche Teilchen solaren Ursprungs (SEP), bei denen es sich hauptsächlich um positiv geladene Protonen handelt, und die galaktische kosmische Strahlung (GCR). Sie besteht ebenfalls überwiegend aus Protonen (84%), sowie aus positiv geladenen Alpha-Teilchen (zwei Protonen + zwei Neutronen, 14%) und negativ geladenen Elektronen (2%). Ein Schutz vor diesen Teilchen ist technisch sehr schwierig und aufwändig, weil sie mit sehr hohen Energien durch den Weltraum fliegen und daher tief in Materialien ein- bzw. sie auch durchdringen können. Im Material kann es zudem zu Streuprozessen kommen, bei denen neue, sogenannte Sekundär-Teilchen erzeugt werden. Diese hoch-energetische Teilchenmix kann sowohl in der menschlichen Haut als auch in inneren Organen Zellen schädigen.

Umfassende Simulationen durch internationales Team

Um abzuschätzen, wie stark die Astronautinnen durch die Weltraumstrahlung belastet werden, und um so die optimalen Bedingungen für eine Mission zum Mars zu finden, haben die Forschenden verschiedene Strahlungssituationen und Schutzoptionen simuliert. Beteiligt waren neben den beiden Hauptautoren Yuri Shprits (GFZ) und sein ehemaliger Doktorand Mikhail Dobynde (Skoltech Moscow) auch Kolleginnen vom MIT und der University of California, Los Angeles (USA).

Zunächst ermittelten sie die Strahlungsumgebung für das Raumschiff, also Art und Energie der Partikel, denen es während seiner Mission ausgesetzt ist. Hierbei stützten sie sich auf Messungen der solaren Teilchen SEP aus den Jahren 1998 bis 2012. Für die galaktische Strahlung GCR nutzten sie ein empirisches Modell, in dem auch die Effekte des Sonnenzyklus berücksichtigt wurden.

Einfluss des Sonnenzyklus auf beide Strahlungsarten

Die Intensität der beiden Strahlungsarten variiert während des elfjährigen Sonnenzyklus. Bei diesem Prozess polt sich das solare Magnetfeld um: magnetischer Nord- und Südpol tauschen die Plätze. Dementsprechend haben auch verschiedene Sonnenaktivitäten diesen elfjährigen Rhythmus. Beispielsweise kommt es zu Sonneneruptionen, bei denen in einem explosiven Ereignis intensive Strahlungsstöße frei werden, die sich in das Sonnensystem ausbreiten. Allerdings entstehen auf diese Weise nur sporadisch die gefährlichen energiereichen solaren Teilchen (SEP). Eine genaue Vorhersage über Zeitpunkt, Stärke und Richtung der Strahlung ist eine große Herausforderung. Klar ist jedoch, dass die Wahrscheinlichkeit und die Intensität der solaren Strahlung auf dem Höhepunkt der Sonnenaktivität am größten ist.

Im Gegensatz dazu ist die galaktische kosmische Strahlung (GCR) von gleichmäßigerer Natur. Obwohl die Teilchenflüsse nicht so hoch sind, können sich bei langen Reisezeiten im All die Strahlungsdosen gefährlich aufsummieren. Auch die kosmische Strahlung wird durch die Sonnenaktivität beeinflusst: Sie wird von ihr abgeschirmt und ist daher im Maximum der Sonnenaktivität am schwächsten.

Strahlenwirkung auf Raumschiff und Besatzung

Um den Einfluss der Strahlung auf Raumschiff und Mensch zu untersuchen, wurde ersteres durch eine Kugel mit einem Innendurchmesser von zwei Metern modelliert. Als Material für die Hülle wählten die Forschenden das gängige Aluminium, die Dicke dieses Schutzmantels wurde variiert. Eine Wasserkugel von 35 Zentimetern Durchmesser diente als Modell für den menschlichen Körper.

Auf dieser Basis haben die Forschenden schlussendlich die Strahlendosis berechnet, die sich im Laufe einer Reise zum Mars unter verschiedenen Bedingungen im Körper akkumuliert. Dabei analysierten sie auch verschiedene Eindringtiefen in den Körper, um die Empfindlichkeit von Haut, blutbildenden und anderen Organen zu differenzieren.

Ergebnis: Optimale Bedingungen für einen Flug zum Mars

„Bislang gehen die meisten Weltraumorganisationen davon aus, dass die gesamte Strahlungsbelastung für Astronaut*innen im Laufe ihres Lebens den Wert von 1 Sievert nicht überschreiten sollte“, sagt Yuri Shprits. Die neuen Berechnungen zeigen, dass dieser Wert eingehalten werden kann, wenn das Raumschiff eine optimal dimensionierte Hülle hat, wenn der Flug während des Sonnenmaximums startet, und wenn die gesamte Reisezeit 3,8 Jahre nicht überschreitet.

Für den Aluminium-Schutzschild erweist sich eine Materialstärke von 30 Gramm pro Quadratzentimeter als optimal. Bemerkenswert ist, dass das Prinzip „mehr hilft mehr“ den Untersuchungen nach hier nicht angewendet werden kann: Wird das Material dicker, so kommt es in ihm vermehrt zu Streuprozessen, bei denen Sekundär-Teilchen entstehen, die die Strahlenbelastung im Inneren wieder erhöhen können. Auch bei dünnerem Material wäre die kritische Strahlendosis bereits bei kürzeren Flugzeiten erreicht.

Ausblick auf neue Materialien und künftige Missionen

Sollte es neue Erkenntnisse zur biologischen Wirksamkeit von Strahlung und neue Materialentwicklungen geben, lassen sich die vorliegenden Modelle anpassen.
„Wir haben uns hier zunächst auf Aluminium als das zurzeit gängige Material für den Strahlenschutzschild konzentriert. Seit längerem werden auch Komposit-Werkstoffe wie Kohlefaser-Verbundwerkstoffe (CFK) diskutiert, die mit leichten Elementen wie Wasserstoff gespickt sind. An diesen Materialien würden wir weniger Streuprozesse beobachten und daher weniger sekundär-induzierte Teilchen“, prognostiziert Shprits. Insgesamt dürfte das aber nur zu einer Verbesserung der Schutzwirkung um rund 20 Prozent führen, schätzt der Weltraumphysiker. Damit wäre dann eine Verlängerung der Reisezeit um ein Jahr möglich.

Zu beachten ist den Forschenden zufolge, dass die Auswirkungen der verschiedenen Strahlungsarten auf den menschlichen Körper noch nicht umfassend verstanden sind. Daher könnten sich künftig die Empfehlungen für die maximale Dosis und in Konsequenz dann auch zur maximalen Aufenthaltsdauer im All noch ändern.

Vorsicht sei auch geboten hinsichtlich der Variation des Sonnenzyklus. Dessen Auswirkungen sind nicht immer gleich, was bei Planungen für künftige Missionen berücksichtigt werden müsse.

Originalstudie: M.I. Dobynde, Y.Y. Shprits, A.Yu. Drozdov, J. Hoffman, J. Li, Beating 1 Sievert: Optimal Radiation Shielding of Astronauts on a Mission to Mars, Space Weather 2021, DOI: 10.1029/2021SW002749

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: Universität Potsdam.

13. Juli 2021 – Astronomen ist die seltene Sichtung zweier Sterne gelungen, die spiralförmig ihrem Ende zusteuern, indem sie die verräterischen Zeichen eines tränenförmigen Sterns bemerkten. Aktuelle Forschungsergebnisse, die von einem internationalen Team unter Beteiligung der Universität Potsdam in „Nature Astronomy“ veröffentlicht wurden, bestätigen, dass sich die beiden Sterne im frühen Stadium einer Spirale befinden, die wahrscheinlich in einer Supernova vom Typ Ia enden wird. Dieser Supernova-Typ hilft den Astronomen zu bestimmen, wie schnell das Universum expandiert. Hauptautorin Dr. Ingrid Pelisoli, die heute an der Universität Warwick forscht, war während der Arbeit an der aktuellen Veröffentlichung bei Prof. Dr. Stephan Geier am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam tätig.

Das internationale Team von Astronomen und Astrophysikern unter Leitung der University of Warwick entdeckte ein seltenes Doppelsternsystem, das auf eine Supernova zusteuert. Die tragische Tropfenform des Systems wird durch einen massereichen Weißen Zwerg in der Nähe verursacht, der den anderen Stern mit seiner intensiven Schwerkraft verzerrt, was auch der Katalysator für eine eventuelle Supernova sein wird. Das Sternsystem gehört damit zu den wenigen bereits entdeckten, in denen eines Tages ein Weißer Zwergstern seinen Kern wieder entzünden wird.

Das Doppelsternsystem HD265435 befindet sich in etwa 1.500 Lichtjahren Entfernung und besteht aus einem Heißen Unterzwergstern und einem Weißen Zwergstern, die sich in etwa 100 Minuten eng umkreisen. Weiße Zwerge sind „tote“ Sterne, die ihren gesamten Brennstoff verbrannt haben und in sich zusammengefallen sind, was sie klein und extrem dicht macht. Man geht davon aus, dass eine Supernova vom Typ Ia entsteht, wenn der Kern eines Weißen Zwergsterns wieder aufflammt und eine thermonukleare Explosion auslöst. Es gibt zwei Szenarien, in denen dies geschehen kann. Im ersten Fall gewinnt der Weiße Zwerg genug Masse, um das 1,4-Fache der Sonnenmasse zu erreichen, was als Chandrasekhar-Limit bekannt ist. HD265434 passt in das zweite Szenario, bei dem die Gesamtmasse eines Sternsystems aus mehreren Sternen nahe oder über dieser Grenze liegt. Bisher wurden nur wenige andere Sternsysteme entdeckt, die diesen Grenzwert erreichen und zu einer Supernova vom Typ Ia führen werden.

Hauptautorin Dr. Ingrid Pelisoli von der University of Warwick, Fachbereich Physik erklärt: „Wir wissen nicht genau, wie diese Supernovae explodieren, aber wir wissen, dass es geschehen muss, weil wir sehen, dass es anderswo im Universum passiert. Eine Möglichkeit ist, dass der Weiße Zwerg genug Masse aus dem Heißen Unterzwerg akkumuliert. Während die beiden einander umkreisen und sich annähern, beginnt Materie aus dem Heißen Unterzwerg zu entweichen und auf den Weißen Zwerg überzugehen. Eine andere Möglichkeit ist, dass sie Energie durch Gravitationswellenemissionen verlieren und sich dadurch näher kommen, bis sie verschmelzen. Sobald der Weiße Zwerg bei beiden Methoden genug Masse gewinnt, wird er zur Supernova.“

Von 2018 bis 2020 war die Astrophysikerin Ingrid Pelisoli an der Universität Potsdam in der Arbeitsgruppe von Prof. Stephan Geier tätig. Auch er freut sich über die gelungene Beobachtung: „Die charakteristische Tränenform dieses Doppelsternsystems führt zu einer ebenso typischen Variation seiner Helligkeit. Diese Variation ist allerdings meist so klein, dass sie mit bodengebundenen Teleskopen nur schwer aufzuspüren ist. Die deutlich bessere Sensitivität des TESS-Weltraumteleskops ermöglichte uns diese Entdeckung.“ Ihre Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Science and Technology Facilities Council (UK) gefördert.

Link zur Publikation: Ingrid Pelisoli et al., A hot subdwarf–white dwarf super-Chandrasekhar candidate supernova Ia progenitor, Nature Astronomy, 2021.

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• Supernovae

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Quelle: Universität Potsdam.

In der modernen Astrophysik nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Arten von Botensignalen aus dem Weltraum, insbesondere Licht, kosmische Teilchen und Gravitationswellen, um grundlegende Fragen zur Geschichte des Kosmos zu beantworten. Diese „Multi-Messenger-Astronomie“ ist ein schnell wachsendes Forschungsgebiet, wobei die kosmischen Boten im elektromagnetischen Lichtspektrum z.B. Gammastrahlen, ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht, oder Radiowellen umfassen. Botenteilchen können z.B. Elektronen, Protonen, Neutrinos oder komplexe Atomkerne sein. Gravitationswellen sind schließlich winzige Wellen innerhalb der vierdimensionalen Raumzeit, erzeugt von beschleunigten Massen wie Neutronensternen oder Schwarzen Löchern, die sich aus sterbenden Sternen bilden. Von kollidierenden Neutronensternen können Astronomen die Eigenschaften von Materie bei sehr hohen Dichten ableiten, von denen ein einziger Teelöffel voll unvorstellbare Millionen von Tonnen wiegen würde. Beim Zusammenstoß von Neutronensternen werden die meisten schweren Elemente des Periodensystems gebildet, außerdem lässt sich aus den dabei abgegebenen Signalen die Expansionsrate des Universums messen.

Um den physikalischen Prozessen bei Zusammenstößen von Neutronensternen auf die Spur zu kommen, haben Wissenschaftler aus Deutschland, den Niederlanden, Schweden, Frankreich und den USA Beobachtungen dieser Kollisionen mit elektromagnetischen und Gravitationswellensignalen kombiniert. „Um astrophysikalische Informationen zum Zustand der Materie unter diesen extremen Bedingungen zu gewinnen, führen wir unsere Beobachtungen mit theoretischen kernphysikalischen Berechnungen zusammen. Mit unserer Methode konnten wir den Durchmesser eines typischen Neutronensterns auf ~12 Kilometer bestimmen. Das entspricht der Größe einer Stadt, aber mit einer Masse von einer halben Million Erdmassen“, sagt Tim Dietrich, Professor für theoretische Astrophysik am Institut für Physik und Astronomie. Außerdem nutzte das Forschungsteam die astrophysikalischen Informationen, um die Hubble-Konstante zu bestimmen. „In den letzten Jahren hat die Wissenschaftsgemeinschaft versucht, verschiedene Messungen dieser fundamentalen Konstante, welche die Ausdehnung des Universums beschreibt, zu vereinheitlichen. Mit unserem Ansatz konnten wir die Hubble-Konstante neu messen, und die Ergebnisse bestätigen die vorhergehende Messung anhand des kosmischen Mikrowellenhintergrunds“, fügt Ingo Tews hinzu, Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory und Koautor der Studie.

Ausgehend von theoretischen Überlegungen zur Kernmaterie in Neutronensternen analysierten die Forschenden astronomische Daten in einem mehrstufigen Prozess. „Wir berücksichtigten Massebestimmungen von Neutronensternen aus Radiobeobachtungen, Messungen eines schnell rotierenden Neutronensterns, sowie Beobachtungen von elektromagnetischen und Gravitationswellensignalen von kollidierenden Neutronensternen“, erklärt Tim Dietrich die Methoden. „Für letztere haben wir das gesamte Frequenzspektrum von Radiowellen bis zu Gammastrahlen untersucht.“ Der entwickelte Ablauf sei allgemeingültig und könne leicht erweitert werden, um in den nächsten Jahren eine wachsende Anzahl von Signalen zu berücksichtigen, fasst er zusammen.

Publikation:
Tim Dietrich, Michael W. Coughlin, Peter T. H. Pang, Mattia Bulla, Jack Heinzel, Lina Issa, Ingo Tews, and Sarah Antier:
Multimessenger constraints on the neutron-star equation of state and the Hubble constant, Science 370, 1450 (2020)

Aus dem Abstract: „We found that the radius of a 1.4–solar mass neutron star is 11.75−0.81+0.86 km at 90% confidence and the Hubble constant is 66.2−4.2+4.4 at 1σ uncertainty.“

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: GFZ.

Die im Mai 2018 gestarteten GRACE-FO-Satelliten (Gravity Recovery and Climate Experiment-Follow-On) sind in der Lage, das Defizit der in Mitteleuropa gespeicherten Wassermassen während der Sommerdürren in 2018 und 2019 zu quantifizieren. Bezogen auf die langfristige mittlere Klimavariabilität betrugen die Wassermassendefizite 112 Gigatonnen im Jahr 2018 und sogar 145 Gigatonnen im Jahr 2019. Das berichtet ein Forschungsteam vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und der Universität Potsdam um Eva Börgens.

Die Defizite 2018 und 2019 liegen damit bei 73 Prozent und 94 Prozent der mittleren Schwankung der saisonalen Wasserspeicherung. Anders ausgedrückt: Man bräuchte, verglichen mit dem Durchschnittswert in etwa die doppelte Wasserzunahme über den Winter, um dieses Defizit auszugleichen. Die Veränderungen seien so gravierend, dass eine Erholung innerhalb eines Jahres nicht zu erwarten sei. Die Wasserknappheit in den Jahren 2018 und 2019 sei damit die größte in der gesamten GRACE- und GRACE-FO-Messkampagne von fast 20 Jahren. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Geophysical Research Letters veröffentlicht.

Das GRACE-FO-Satellitenpaar erfasst die Bewegung des Wassers auf der Erde auf der Grundlage von dadurch ausgelösten Variationen des Erdschwerefeldes. Diese Variationen lassen sich aus einer hochpräzisen Abstandsmessung mithilfe von Mikrowellensignalen ermitteln, die die beiden hintereinander fliegenden Satelliten aussenden. GRACE-FO ist das Nachfolgeprojekt von GRACE. Die beiden GRACE-Satelliten hatten ihre Mission 2017 nach 15 Jahren Betrieb beendet.

Insgesamt zeigen die Daten keinen Versatz zwischen den beiden Missionen, was die erfolgreiche Fortführung von GRACE durch GRACE-FO und damit die Zuverlässigkeit der Beobachtung der Extremereignisse in Mitteleuropa bestätigt. Dies erlaubt laut der Forschenden eine gemeinsame Bewertung der vier mitteleuropäischen Dürreperioden in den Jahren 2003, 2015, 2018 und 2019: Im Vergleich zu 2003 und 2015 waren 2018 und 2019 deutlich trockener. 2019 war der Wassermangel so groß, dass eine Erholung der Wasservorräte innerhalb eines Jahres nicht zu erwarten ist, zumal der Winter 2019/2020 nur eine sehr leichte Erholung brachte.

Um einen Vergleich zwischen GRACE und GRACE-FO Dürrebeobachtungen und anderen Teilen des Wasserhaushaltes, wie Bodenfeuchte oder Oberflächengewässer, ziehen zu können, wurden die Daten in Dürreindizes umgewandelt. Im Gegensatz zu anderen Datenquellen erlauben die Daten von GRACE-FO und GRACE die Erfassung der gesamten Wasserspeicherung in Seen, Flüssen, Böden und Grundwasser. Messungen an Oberflächengewässer wie dem Bodensee können hingegen stark von lokalen oder regionalen Einflüssen beeinflusst werden.

„Die Studie zeigt, wie wichtig die lange Zeitreihe der Beobachtungen der GRACE- beziehungsweise GRACE-FO-Mission ist, um aktuelle klimatische Ereignisse einordnen zu können“, sagt Studienleiterin Eva Börgens. „Ob die Dürrejahre 2015, 2018 und 2019 erste Anzeichen eines längerfristigen Wandels in Mitteleuropa sind oder nur statistische Ausreißer wird man erst in der Zukunft sagen können. Allerdings lassen erste Daten aus 2020 eine weiter andauernde Trockenheit erwarten.“

Originalstudie
Boergens, E., Güntner, A., Dobslaw, H., Dahle, C., 2020. Quantifying the Central European Droughts in 2018 and 2019 with GRACE-Follow-On. Geophysical Research Letters. DOI: 10.1029/2020GL087285

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• 2x GRACE-FO und 5x Iridium NEXT auf Falcon 9 ♺

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