7. Januar 2025 – Im Jahr 1655 entdeckt der niederländische Astronom Christiaan Huygens mit seinem selbstgebauten Teleskop einen Lichtpunkt, der den Planeten Saturn in 16 Tagen einmal umrundet. Er wird später Titan getauft. Es dauerte mehrere Jahrhunderte, bis klar wurde, was der zweitgrößte Mond des Sonnensystems verbirgt: Erst Raumsonden lieferten Details seiner umwölkten Atmosphäre und sogar erste Fotos seiner rätselhaften Oberfläche. Gerade bereitet die NASA eine neue Forschungsreise zu ihm vor.

Karl erzählt in dieser Folge, warum der Titan so besonders ist. Zwar ist es auf ihm mit durchschnittlich -179 °C bestialisch kalt. Doch gleichzeitig gluckern auf ihm Flüsse aus flüssigem Methan, Ethan und Stickstoff. Sie graben tiefe Täler und speisen gigantische Seen. Aus der Atmosphäre, die deutlich dichter und massiver als die Erdatmosphäre ist, rieseln währenddessen organische Moleküle. Es scheinen die wichtigsten Zutaten beisammen zu sein, um auf Titan eine Form von Leben entstehen zu lassen.

Nach der Marssonde Ingeniuity ist Dragonfly erst der zweite Versuch der NASA, in einer außerirdischen Atmosphäre mit einem Helikopter zu fliegen. Doch anders als die dünne Luft auf dem Mars ist der Titan bestens dafür geeignet: Die Anziehungskraft ist gering, während die Luft auf dem Saturnmond dichter als die der Erde ist und dadurch starken Auftrieb verleiht. Die Forschungssonde kann deshalb eine Radionuklidbatterie und sogar ein Massenspektrometer transportieren, um in einer mehrjährigen Mission dem möglichen fremden Leben auf die Schliche zu kommen.

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
• Saturnmond Titan

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Quelle: NASA, JPL, 29. Oktober 2024.

Pasadena, 29. Oktober 2024 – Wenn die NASA-Sonde Lunar Trailblazer im nächsten Jahr den Mond umkreist, wird sie dazu beitragen, ein ewiges Rätsel zu lösen: Wo befindet sich das Wasser auf dem Mond? Wissenschaftler haben Anzeichen gesehen, die darauf hindeuten, dass es auch dort existiert, wo die Temperaturen auf der Mondoberfläche sehr hoch sind, und es gibt gute Gründe für die Annahme, dass es in Form von Oberflächeneis in dauerhaft beschatteten Kratern zu finden ist, also an Orten, die seit Milliarden von Jahren kein direktes Sonnenlicht mehr gesehen haben. Aber bisher gibt es nur wenige endgültige Antworten, und ein vollständiges Verständnis der Natur des Wasserkreislaufs auf dem Mond bleibt hartnäckig im Dunkeln.

An dieser Stelle kommt Lunar Trailblazer ins Spiel. Der kleine Satellit, der vom Jet Propulsion Laboratory der NASA verwaltet und vom Caltech in Pasadena, Kalifornien, koordiniert wird, wird das Oberflächenwasser des Mondes in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit kartieren, um die Menge, den Ort und die Form des Wassers sowie seine zeitlichen Veränderungen zu bestimmen.

„Hochauflösende Messungen der Art und Menge des Mondwassers werden uns helfen, den lunaren Wasserkreislauf zu verstehen, und sie werden uns Hinweise auf andere Fragen geben, wie z. B. wie und wann die Erde ihr Wasser erhalten hat“, sagte Bethany Ehlmann, leitende Forscherin für Lunar Trailblazer am Caltech. „Aber auch das Verständnis des Wasserbestands auf dem Mond ist wichtig, wenn wir eine dauerhafte Präsenz von Menschen und Robotern auf dem Mond und darüber hinaus erreichen wollen.

Künftige Forscher könnten das Mondeis verarbeiten, um atembaren Sauerstoff oder sogar Treibstoff herzustellen. Und sie könnten auch Wissenschaft betreiben. Anhand der Informationen von Lunar Trailblazer könnten künftige bemenschte oder robotergestützte wissenschaftliche Untersuchungen Proben aus dem Eis entnehmen, um später zu ermitteln, woher das Wasser stammt. Das Vorhandensein von Ammoniak in den Eisproben könnte zum Beispiel darauf hinweisen, dass das Wasser von Kometen stammt; Schwefel hingegen könnte zeigen, dass es aus dem Mondinneren an die Oberfläche gelangt ist, als der Mond noch jung und vulkanisch aktiv war.

„In der Zukunft könnten Wissenschaftler das Eis im Inneren von dauerhaft beschatteten Kratern analysieren, um mehr über die Ursprünge des Wassers auf dem Mond zu erfahren“, sagte Rachel Klima, stellvertretende Forschungsleiterin von Lunar Trailblazer am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland. „So wie ein Eiskern aus einem Gletscher auf der Erde die Geschichte der atmosphärischen Zusammensetzung unseres Planeten offenbaren kann, könnte dieses unberührte Mondeis Hinweise darauf liefern, woher das Wasser kam und wie und wann es dorthin gelangte.“

Auch die Frage, ob sich Wassermoleküle frei auf der Mondoberfläche bewegen oder im Gestein eingeschlossen sind, ist wissenschaftlich wichtig. Wassermoleküle könnten sich im Laufe eines Mondtages von frostigen „Kältefallen“ zu anderen Orten bewegen. Der von der Sonne aufgeheizte Frost sublimiert (er verwandelt sich von festem Eis in ein Gas, ohne eine flüssige Phase zu durchlaufen), so dass die Moleküle als Gas zu anderen kalten Orten wandern können, wo sie neuen Frost bilden könnten, wenn die Sonne über den Mond wandert. Das Wissen darüber, wie sich das Wasser auf dem Mond bewegt, könnte auch zu neuen Erkenntnissen über die Wasserkreisläufe auf anderen luftlosen Körpern, wie Asteroiden, führen.

Zwei Instrumente, eine Mission

Zwei wissenschaftliche Instrumente an Bord der Sonde werden dazu beitragen, diese Geheimnisse zu lüften: das hochauflösende Infrarotspektrometer Volatiles and Minerals Moon Mapper (HVM³) und der multispektrale Infrarot-Imager Lunar Thermal Mapper (LTM).

Das vom JPL entwickelte HVM ³ wird die spektralen Fingerabdrücke, d. h. die Wellenlängen des reflektierten Sonnenlichts, von Mineralien und den verschiedenen Formen von Wasser auf der Mondoberfläche erkennen und kartieren. Das Spektrometer kann das schwache, von den Kraterwänden reflektierte Licht nutzen, um auch den Boden von ständig beschatteten Kratern zu erkennen.

Das LTM-Instrument, das von der Universität Oxford gebaut und von der britischen Weltraumbehörde finanziert wurde, wird die Mineralien und thermischen Eigenschaften derselben Mondlandschaft kartieren. Zusammen ergeben sie ein Bild von der Menge, dem Ort und der Form des Wassers und zeigen gleichzeitig, wie sich seine Verteilung im Laufe der Zeit verändert.

„Das LTM-Instrument kartiert präzise die Oberflächentemperatur des Mondes, während das HVM³-Instrument nach der spektralen Signatur von Wassermolekülen sucht“, so Neil Bowles, Instrumentenwissenschaftler für LTM an der Universität Oxford. „Beide Instrumente werden es uns ermöglichen zu verstehen, wie sich die Oberflächentemperatur auf das Wasser auswirkt, und so unser Wissen über das Vorhandensein und die Verteilung dieser Moleküle auf dem Mond zu verbessern.“

Lunar Trailblazer wiegt nur 200 Kilogramm (440 Pfund) und misst 3,5 Meter (11,5 Fuß) in der Breite, wenn seine Solarpaneele vollständig entfaltet sind, und wird den Mond in einer Entfernung von 100 Kilometern (60 Meilen) umkreisen. Die Mission wurde im Rahmen des SIMPLEx-Programms (Small Innovative Missions for Planetary Exploration) der NASA für das Jahr 2019 ausgewählt und wird im Rahmen der NASA-Initiative Commercial Lunar Payload Services mit dem gleichen Start wie die Intuitive Machines-2 zum Mond fliegen. Lunar Trailblazer hat Anfang Oktober am Caltech eine kritische Prüfung der Betriebsbereitschaft bestanden, nachdem er im August bei Lockheed Martin Space in Littleton, Colorado, wo er zusammengebaut wurde, Umwelttests absolviert hatte.

Der Orbiter und seine wissenschaftlichen Instrumente durchlaufen nun Tests der Flugsystem-Software, die wichtige Aspekte des Starts, der Manöver und der wissenschaftlichen Mission in der Mondumlaufbahn simulieren. Gleichzeitig führt das Betriebsteam unter der Leitung des IPAC am Caltech Tests durch, um die Steuerung, die Kommunikation mit dem Deep Space Network der NASA und die Navigation zu simulieren.

Mehr über Lunar Trailblazer

Lunar Trailblazer wird vom JPL verwaltet, und die wissenschaftliche Untersuchung und der Missionsbetrieb werden vom Caltech mit dem Missionsbetriebszentrum am IPAC geleitet. Das JPL, das von Caltech für die NASA verwaltet wird, stellt auch die Systemtechnik, die Missionssicherung, das HVM³-Instrument sowie die Missionsplanung und Navigation bereit. Lockheed Martin Space liefert das Raumfahrzeug, integriert das Flugsystem und unterstützt den Betrieb unter Vertrag mit Caltech.

Die Untersuchungen der SIMPLEx-Mission werden vom Programmbüro für planetarische Missionen im Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, als Teil des Discovery-Programms im NASA-Hauptquartier in Washington geleitet. Das Programm führt weltraumwissenschaftliche Untersuchungen in der Abteilung Planetenforschung des Science Mission Directorate der NASA im NASA-Hauptquartier durch.

Weitere Informationen über Lunar Trailblazer finden Sie unter:

https://www.jpl.nasa.gov/missions/lunar-trailblazer/

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Mondlander Odin (IM-2/NOVA-C) und Lunar-Trailblazer auf Falcon 9

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Quelle: Universität Bayreuth 23. August 2024.

23. August 2024 – Die Bergwälder in Afrika stehen durch die zunehmende Entwaldung durch den Menschen deutlich unter Stress. „Am Kilimandscharo in Tansania wurden seit 1880 bereits über 50 Prozent der Waldfläche vernichtet“, erläutert Dr. Andreas Hemp von der Universität Bayreuth, Ko-Autor der Studie, der seit 35 Jahren am Kilimandscharo lebt und forscht. Mit Kollegen und Kolleginnen hat er jetzt herausgefunden: Der Klimawandel setzt dem noch eins drauf.

Unter Leitung von Marburger Geograph*innen wurde herausgefunden, dass die durchschnittliche Lufttemperatur in Gebieten, die stark gerodet wurden, steigt und die umgebenden Wolken mehr als 230 Meter höher liegen. In Bergregionen wie am Kilimandscharo können die Wälder dadurch deutlich weniger Wasser aus den Wolken „auskämmen“. „Das hat weitreichende Konsequenzen für den Wasserhaushalt und die Biodiversität in Afrika“, erläutert Dr. Dirk Zeuss vom Fachbereich Geographie der Philipps-Universität Marburg die Ergebnisse einer Studie mit internationaler Forschungsbeteiligung.

Die tropischen Bergwälder sind einzigartig in ihrer Biodiversität und ihren sogenannten Ökosystemdienstleistungen. Zu letzteren gehört beispielsweise die Produktion von Frischwasser für die Natur und auch den Menschen. Anhand von Satellitendaten hat das Marburger Forschungsteam berechnet, dass in den Jahren 2003 bis 2022 etwa 18 Prozent der Bergwälder Afrikas verloren gingen. Gründe dafür sind unter anderem die kleinbäuerliche Landwirtschaft und der Holzeinschlag. Infolge des Waldverlusts ändern sich auch weitere Umweltbedingungen, fanden die Forschenden durch das Zusammenführen verschiedenster Umweltdatensätze heraus. So stieg die Lufttemperatur um etwa 1,4 Grad Celsius und die untere Wolkenkante rückte 236 Meter nach oben. „Diese Verschiebung in Temperatur und Wolkenbildung kommt dabei eindeutig nicht durch den ohnehin schon vorhandenen Klimawandel, sondern durch den Verlust der Bergwälder“, interpretiert Dr. Dirk Zeuss die Ergebnisse. Zu diesen trug der Bayreuther Forscher Andreas Hemp maßgeblich bei: Er ist Projektleiter in der DFG-Forschungsgruppe „The role of nature for human well-being in the Kilimanjaro Social-Ecological System (Kili-SES)“ an der Universität Bayreuth. Hemp hat seit 1996 ein meteorologisches Netzwerk am Kilimanjaro aufgebaut, dessen Daten maßgeblich für die hier vorliegenden Forschungsergebnisse waren. Er war mit logistischer und wissenschaftlicher Unterstützung an den Messungen für die aktuelle Studie beteiligt.

„Das bedeutet, dass von Menschen gemachte Eingriffe wie das Abholzen den Klimawandel verschärfen“, erläutert der Marburger Forscher Dr. Temesgen Abera. „Wir müssen also sehr viel stärker die Bergwälder in den Blick nehmen und vor Abholzung schützen, da sie Biodiversität, Frischwasserproduktion und viele andere Ökosystemleistungen in den Tropen bedroht.“ Abera ist derzeit Forschungsstipendiat der Alexander von Humboldt-Stiftung an der Uni Marburg.

Zur Publikation trugen Forschungsgruppen unter Marburger Leitung von der Universität in Helsinki, Finnland, dem finnischen Meteorologischen Institut in Helsinki, der Universität Bayreuth, der Universität in Addis Abeba, Äthiopien, der Wuhan-Universität, China, und der North-West-Universität in Südafrika bei.

Originalpublikation:
Abera, T.A., Heiskanen, J., Maeda, E.E. et al. Deforestation amplifies climate change effects on warming and cloud level rise in African montane forests. Nat Commun 15, 6992 (2024). doi.org/10.1038/s41467-024-51324-7
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51324-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-024-51324-7.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Innsbruck 19. Juli 2024.

19. Juli 2024 – Die Forschungsgruppe von Thomas Lörting am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck beschäftigt sich mit den vielfältigen und besonderen Eigenschaften von Eis und Wasser. So haben die Wissenschaftler:innen im Labor neue Eisformen entdeckt und konnten in der Vergangenheit zeigen, dass Wasser aus zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten besteht. Die Arbeitsgruppe ist in der Lage, im Labor auch Eisformen herzustellen, die nicht natürlich auf der Erde vorkommen, in den Weiten des Weltalls aber sehr wohl. „Für die Herstellung dieser Eisformen benötigt es sehr tiefe Temperaturen und/oder einen sehr hohen Druck“, erklärt die Chemikerin Christina M. Tonauer aus dem Team von Thomas Lörting. Die Erkenntnisse zu den Eisformen finden in verschiedenen Bereichen Anwendung. Für die Weltraumforschung sind sie wichtig, weil so die Bedingungen ergründet werden können, unter denen dort Eis entsteht, und wo es zu finden ist.

Zwanzig verschiedene Eisformen sind bisher bekannt. Und während auf der Erdoberfläche nur sogenanntes hexagonales Eis beobachtet wird, vermutet die Wissenschaft im Inneren der Eisgiganten Uranus und Neptun oder auf den von kilometerdicken Eisschichten überzogen Eismonden von Jupiter und Saturn eine Vielzahl unterschiedlicher Eisstrukturen. Zum ersten Mal liefern die Innsbrucker Chemiker:innen nun Spektren dieser Eisformen im Nahinfrarotbereich, einem Frequenzbereich, in dem auch das neue James-Webb-Weltraumteleskop misst. Die im Weltall gemessenen Daten können mit den im Labor in Innsbruck ermittelten Spektren verglichen werden und so Aussagen über Art und Struktur des Eises im All gewonnen werden.

Neue Messmethode entwickelt
Gelungen ist Christina M. Tonauer die Erstellung der Nahinfrarotspektren in Kooperation mit der Forschungsgruppe um Christian Huck am Institut für Analytische Chemie und Radiochemie der Universität Innsbruck, einem Spezialisten der Nahinfrarot-Spektroskopie. „Die große Schwierigkeit war, das Eis für die Dauer der Messung auf minus 196 Grad Celsius zu halten, damit es sich nicht umformt“, erzählt Christina M. Tonauer. „Wir mussten eine Methode entwickeln, um die Proben unter Zuhilfenahme von flüssigem Stickstoff in einem für Raumtemperaturen konzipierten Spektrometer messen zu können.“

Die Wissenschaftler:innen waren erfolgreich und fanden in den Spektren im Wellenlängenbereich von 1 bis 2,5 Mikrometer zahlreiche charakteristische Merkmale, anhand derer etwa die Dichte und Porosität des Eises bestimmt werden können. „In diesem Wellenlängenbereich misst auch einer der Spektrografen am James-Webb-Weltraumteleskop“, erklärt Thomas Lörting. „Unsere Labordaten können als Referenzwerte für die Interpretation von Messungen im All herangezogen werden. So lernen wir vielleicht bald mehr über das Eis und Wasser im All.“

Die Forschung fand im Rahmen der Forschungsplattform Material- und Nanowissenschaften an der Universität Innsbruck statt, die Anfang des Jahres zum Forschungsschwerpunkt Funktionelle Materialwissenschaften (FunMAT) aufgewertet wurde.

Originalpublikation:
Near-infrared Spectroscopy for Remote Sensing of Porosity, Density and Cubicity of Crystalline and Amorphous H₂O Ices in Astrophysical Environment. Christina Tonauer et al. The Astrophysical Journal 2024
DOI: doi.org/10.3847/1538-4357/ad4f82
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4f82
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• Leben im Universum

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Quelle: ETH Zürich 15. Juli 2024.

15. Juli 2024 – Forschende der ETH Zürich haben in der bislang umfassendsten Modellierung – sowie mit KI-Methoden – zum ersten Mal die verschiedenen Ursachen der langfristigen Polbewegung vollständig erklären können. Ihr Modell und ihre Beobachtungen zeigen, dass Klimawandel und Erderwärmung einen grösseren Einfluss auf die Drehgeschwindigkeit der Erde haben als die Wirkung des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tageslänge bestimmt.

Durch den Klimawandel schmelzen die Eismassen in Grönland und der Antarktis. Das Wasser aus den Polgegenden fliesst in die globalen Ozeane und vor allem auch in den Äquatorbereich. «Das heisst, es findet eine Massenverlagerung statt, und diese wirkt sich auf die Erdrotation aus», erklärt Benedikt Soja, Professor für Weltraumgeodäsie am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich.

«Man kann sich das so vorstellen, wie wenn eine Eiskunstläuferin bei einer Pirouette die Arme zuerst am Körper hält und dann ausstreckt.» Die anfänglich schnelle Drehung wird dadurch langsamer, weil die Massen sich von der Drehachse entfernen und die physikalische Trägheit zunimmt. In der Physik spricht man vom Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses, dem auch die Erdrotationsbewegung gehorcht. Dreht sich die Erde langsamer, werden die Tage länger. Der Klimawandel verändert somit auch die Tageslänge auf der Erde, wenn auch nur minimal.

Unterstützt von der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA haben ETH-Forschende aus Sojas Gruppe zwei aktuelle Studien in den Zeitschriften «Nature Geoscience» und «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS) veröffentlicht, wie sich der Klimawandel auf die Polbewegung und die Tageslänge auswirkt.

Klimawandel übertrifft den Einfluss des Mondes
In der PNAS-Studie zeigen die ETH-Forschenden, dass sich durch den Klimawandel auch die Tageslänge von derzeit rund 86400 Sekunden um einige Millisekunden erhöht. Denn Wasser fliesst von den Polen in niedrigere Breiten und verlangsamt dadurch die Rotationsgeschwindigkeit.

Eine andere Ursache für diese Verlangsamung ist die Gezeitenreibung, die vom Mond ausgelöst wird. Die neue Studie kommt dabei zu einem überraschenden Ergebnis: Wenn die Menschen weiterhin mehr Treibhausgase ausstossen, und sich die Erde dementsprechend erwärmt, hätte dies letztendlich einen grösseren Einfluss auf die Drehgeschwindigkeit der Erde als die Wirkung des Mondes, der seit Milliarden von Jahren die Zunahme der Tageslänge bestimmt. «Wir Menschen haben einen grösseren Einfluss auf unsere Erde als wir denken», schliesst Benedikt Soja, «und daraus resultiert natürlich auch eine grosse Verantwortung für die Zukunft unseres Planeten.»

Die Drehachse der Erde verschiebt sich
Die durch die Eisschmelze bedingten Massenverlagerungen auf der Erdoberfläche und im Erdinnern verändern aber nicht nur die Rotationsgeschwindigkeit und die Tageslänge der Erde: Wie die Forschenden in «Nature Geoscience» zeigen, verschieben sie auch die Rotationsachse. Das heisst, die Punkte, wo die Drehachse konkret auf die Erdoberfläche trifft, wandern. Diese Polbewegung können die Forschenden beobachten. Längerfristig liegt sie im Bereich von etwa zehn Meter pro hundert Jahre. Dabei spielen nicht nur das Abschmelzen der Eisschilde eine Rolle, sondern auch Bewegungen, die im Innern der Erde stattfinden. So kommt es tief im Erdmantel, in dem das Gestein durch den hohen Druck zähflüssig wird, über längere Zeiträume zu Verlagerungen. Und auch im äusseren Erdkern, der aus flüssigem Metall besteht, gibt es Wärmeströmungen, die einerseits das Erdmagnetfeld erzeugen, aber auch zu Massenverschiebungen führen.

Benedikt Soja und sein Team haben nun in der bisher umfassendsten Modellierung aufgezeigt, wie sich die Polbewegung aus den einzelnen Prozessen im Kern, im Mantel und durch das Klima an der Oberfläche ergeben. Ihre Studie ist jetzt in der Zeitschrift «Nature Geoscience» erschienen: «Wir präsentieren zum ersten Mal eine vollständige Erklärung für die Ursachen der langperiodischen Polbewegung», sagt Mostafa Kiani Shahvandi, Doktorand von Soja und Erstautor der Studie: «Wir wissen also jetzt, warum und wie die Rotationsachse der Erde relativ zur Erdkruste wandert.»

Eine Erkenntnis sticht in ihrer «Nature Geoscience»-Studie besonders heraus: dass die Prozesse auf und in der Erde miteinander verbunden sind und sich gegenseitig beeinflussen. «Der Klimawandel verursacht eine Bewegung der Erdrotationsachse und es scheint, dass sich durch die Rückkopplung der Drehimpulserhaltung auch die Dynamik des Erdkerns verändert,» erklärt Soja und Kiani Shahvandi ergänzt: «Der anhaltende Klimawandel könnte sich also sogar auf Prozesse tief im Erdinneren auswirken und weiter reichen als bisher angenommen.» Allerdings bestehe kaum Grund zur Sorge. Denn diese Auswirkungen seien gering und es sei unwahrscheinlich, dass davon eine Gefahr ausgehe.

Physikalische Gesetze kombiniert mit künstlicher Intelligenz
Für ihre Studie zur Polbewegung verwendeten die Forscher so genannte physikinformierte, neuronalen Netze. Das sind neuartige Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI), bei denen sich die Forschenden an physikalischen Gesetzen und Prinzipien orientieren, um besonders leistungsstarke und zuverlässige Algorithmen für maschinelles Lernen zu entwickeln. Unterstützung erhielt Kiani Shahvandi dafür von ETH-Mathematikprofessor Siddhartha Mishra, den die ETH Zürich 2023 mit dem Rössler-Preis, ihrem höchstdotierten Forschungspreis auszeichnete, und der ein Spezialist auf diesem Gebiet ist.

So konnten mit den von Kiani Shahvandi erstellten Algorithmen erstmals alle verschiedenen Effekte an der Oberfläche, im Erdmantel und im Erdkern erfasst und ihre möglichen Interaktionen modelliert werden. Das Ergebnis der Berechnungen zeigt, welche Bewegungen die Erdrotationspole seit 1900 zurückgelegt haben. Diese Modell-Werte stimmen hervorragend überein mit den realen Daten, die in der Vergangenheit astronomische Beobachtungen und in den letzten dreissig Jahren Satelliten geliefert haben, und ermöglichen so auch Prognosen für die Zukunft.

Wichtig für die Raumfahrt
«Auch wenn sich die Erdrotation nur langsam ändert, muss man diesen Effekt bei der Navigation im Weltraum berücksichtigen, beispielsweise wenn eine Raumsonde auf einem anderen Planeten landen will», sagt Soja. Denn auch eine Abweichung von nur einem Zentimeter auf der Erde kann über die riesigen Distanzen zu einer Abweichung von hunderten von Metern anwachsen. «Die Landung in einem bestimmten Krater auf dem Mars würde dann nicht klappen», sagt der Wissenschaftler.

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• Klimawandel

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Quelle: DLR 1. Juli 2024.

1. Juli 2024 – Wasser ist für die Existenz von Leben auf der Erde eine unerlässliche Voraussetzung. Allerdings ist es keine Selbstverständlichkeit, dass auf unserem Heimatplaneten Wasser vorhanden ist. Doch Millionen von Asteroidenbruchstücken aus weit von der Sonne entfernten Zonen des Sonnensystems dürften eine beträchtliche Menge des Wassers unserer Ozeane auf die Erde gebracht haben. Eine Studie zeigt nun, dass dies nur möglich war, weil sich wasserreiche Urbausteine des Sonnensystems später, langsamer und bei tieferen Temperaturen bildeten. Planetesimale weiter innen im Sonnensystem konnten kein oder kaum Wasser oder Eis enthalten, da sie schneller und bei höheren Temperaturen entstanden. Dass die Erde kein trockener Planet blieb, haben wir also den spät und weit entfernt von der Sonne entstandenen Planetesimalen zu verdanken. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) war an der Studie beteiligt, die nun im Wissenschaftsmagazin Scientific Reports (Nature Portfolio) veröffentlichten wurde.

„Wäre es nicht zu dieser Verzögerung bei der Bildung der Planetesimale gekommen, wäre die Erde heute ein knochentrockener Planet“, sagt Erstautor der Studie Dr. Wladimir Neumann vom DLR-Institut für Planetenforschung und dem Institut für Geodäsie der Technischen Universität Berlin. „Vereinfacht gesagt war für die Zusammensetzung der Planetesimale die Entfernung von der Sonne bei ihrer Entstehung entscheidend, welche Bestandteile in ihnen eingebaut wurden.“ Dabei erfolgte die Formung von Planetesimalen weit draußen in der dünner werdenden Scheibe aus Staub und Gas etwas verzögert und langsamer, als im Inneren Sonnensystem, vor allem aber immer wieder aufs Neue. „Die späten Planetesimale wurden nicht so heiß und verloren deshalb nicht das in ihnen enthaltene Wasser. Später gelangten viele dieser wasserreichen Planetesimale ins innere Sonnensystem und dürften damit der Erde große Mengen an Wasser gebracht haben.“ So könnte auch der äußere Nachbarplanet Mars zu dem Wasser gekommen sein, das er zwar inzwischen fast vollkommen wieder verloren hat, dessen Spuren wir aber heute noch sehen. Auch für die Venus wird diskutiert, dass sie in ihrer Frühzeit einige hundert Millionen Jahre lang Wasser gehabt haben könnte.

Die Urbausteine der Planeten entstanden in nur wenigen Millionen Jahren
Für astronomische Verhältnisse ging in den frühesten Zeiten des Sonnensystems alles sehr schnell. Nach der Explosion zweier oder mehr „ausgebrannter“ Sterne in einem der Spiralarme der Milchstraße, unserer Heimatgalaxie, verdichteten sich die Gase dieser Supernovae-Reste, um einen neuen Stern zu bilden. Vor viereinhalb Milliarden Jahren hatte er so viel Masse angesammelt, dass in seinem Inneren Wasserstoffatome zu Helium verschmelzen konnten und dabei Energie erzeugt wurde: Die Sonne war entstanden. Sie wurde umkreist von einer Milliarden Kilometer weit ins All reichenden Akkretionsscheibe aus Staub und Gas, den Resten dieses Prozesses.

Dort entstanden die Urbausteine der Planeten. Meteorite, Bruchstücke von Mutterkörpern, die sich damals bildeten, legen davon Zeugnis ab. Die meisten Meteorite sind Chondrite, etwa 86 Prozent. Die Chondren, Kügelchen, entstanden innerhalb weniger Millionen Jahre in dieser protoplanetaren Scheibe, indem blitzartig erhitztes und geschmolzenes Material Tropfen formte. Sie erstarrten und ballten sich dann zusammen mit Staub und Gasen, darunter auch Wasser, zu größeren Körpern zusammen, den Planetesimalen. Es waren die Urbausteine der Planeten, aus denen diese in kaum zehn Millionen Jahren entstanden. Vor rund viereinhalb Milliarden Jahren war die Planetenentstehung also schon relativ kurz nach dem „Zünden“ der Sonne vor 4,567 Milliarden Jahren abgeschlossen. Weil aber noch unzählige kleine Körper übrigblieben, waren es sehr unruhige Zeiten im Sonnensystem mit noch viel häufigeren Einschlägen von Asteroiden und Kometen auf den jungen Planeten. Insbesondere Asteroiden aus der äußeren Zone des Hauptgürtels zwischen Mars und Jupiter, die jenseits einer als „Schneegrenze“ bezeichneten Sonnenentfernung entstanden sind, dürften der Erde große Anteile ihres Wassers geliefert haben. Unklar war, wie das Wasser in die Planetesimale kam.

Meteoriten und Asteroiden spiegeln die Frühzeit des Sonnensystems wider
Woher das Wasser auf der Erde stammt, ist seit langem Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen. Ein beträchtlicher Teil dürfte aus dem Erdinneren stammen und von Vulkanen in die Atmosphäre geblasen worden sein und dann als Regen die ersten Ozeane teilweise gefüllt haben. Das dürfte aber nicht die einzige Quelle von Wasser sein. Kam also noch Wasser von außerhalb hinzu?

Bisher wurde angenommen, dass die Akkretionsprozesse näher an der Sonne schneller abliefen, als fern von ihr, nicht zuletzt, weil eine höhere Materialdichte der Scheibe das Wachstum begünstigte. Infrage gestellt wurde diese These durch die Entdeckung von Meteoriten, deren Mutterkörper schon weiter entwickelt waren, die aber in ihrer geochemischen Signatur identische Isotopenverhältnisse haben, wie Meteorite von undifferenzierten Mutterkörpern aus dem äußeren Teil des Sonnensystems (Isotope sind Atome eines chemischen Elements mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen). In der nun veröffentlichten Arbeit wird dafür eine Erklärung gegeben: Im äußeren Teil der protoplanetaren Scheibe existierte eine Region, in der es während ihrer gesamten „Lebenszeit“, also vom Zeitpunkt Null, bis in weniger als vier Millionen Jahren immer wieder zur Entstehung von Planetesimalen kam.

„Wir können das durch die Herleitung der Entstehungszeiten der Mutterkörper der Meteorite zeigen“, so Wladimir Neumann. „Die Herleitung erfolgte durch die Kombination von Modellen der thermischen Entwicklung mit den gemessenen thermo-chronologischen Daten der Meteorite“. Seit gut 20 Jahren versucht die Wissenschaft in ihren Überlegungen zur Akkretion zwei große Probleme zu überwinden. Zum einen haben Modelle und Laboruntersuchungen gezeigt, dass Staubverklumpungen durch Zusammenstöße nicht über eine Größe von einem Meter anwachsen können, was als „ein-Meter-Barriere“ bezeichnet wird. Die Dynamik der Strömungen solcher Staubklumpen in Richtung Scheibeninneres oder Zerschlagung durch Zusammenstöße bei hohen Geschwindigkeiten verhindern ein weiteres Anwachsen. So können also keine Planetesimale entstehen.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich durch Scheibenmodelle, in denen die Existenz von Hochdruckgebieten vorhergesagt wird. Diese müssen wie Fallen für die Staubteilchen wirken und Gebiete darstellen, die groß genug sind, dass sie sich nicht auflösen und dort Materie quasi auf der Stelle zu Planetesimalen kollabiert. Das passierte überall in der Akkretionsscheibe und lief in circa 100.000 Jahren ab. Aber es bedeutete auch, dass die in diesen Teilchenfallen gebildeten Planetesimale wegen des radioaktiven Zerfalls des Aluminiumisotops 26 zu heiß wurden, als dass sie Wasser an sich hätten binden können. Später gebildete Planetesimale hatten signifikant weniger ²⁶Al und konnten deshalb nicht mehr so heiß werden.

Mit mehr Zeit entstandene Asteroidenmutterkörper werden für Wasser nicht zu heiß
Wie also konnten sich dann doch Mutterkörper von Meteoriten bilden, die kalt genug waren, das leichtflüchtige Wassermolekül nicht zu verlieren? Den Schlüssel zur Beantwortung dieser Frage fanden Wladimir Neumann und seine Mitautoren vom Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg, der Universität Bayreuth und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich in der Untersuchung einiger kohlenstoffreicher Meteorite, deren Mutterkörper fern der Sonne entstanden sein mussten.

Darunter befand sich auch der 25 Gramm schwere „Flensburg-Meteorit“, der am 12. September 2019 vom Himmel gefallen war. Er enthält Minerale, die allesamt nur in Verbindung mit Wasser kristallisieren konnten und dessen Mutterkörper 2,7 Millionen Jahre nach der Entstehung der Akkretionsscheibe, also nach dem Zeitpunkt Null entstanden ist. Untersucht wurden auch die Gruppe Tafassite, also Meteorite, die deutlich jünger waren als Funde von Mutterkörpern, die nur besagte hunderttausend Jahre zur Bildung benötigten. Ebenso wurden Meteorite analysiert, deren Mutterkörper ein Alter von 3,7 Millionen Jahren nach Zeitpunkt Null haben.

Diese Untersuchungen lassen den Rückschluss zu, dass die beiden geschilderten Mechanismen gegeneinander gerichtete Effekte hatten – das Einwärtsdriften in der Scheibe, das die Planetesimale nicht entstehen lässt und die Entstehung von Hochdruckgebieten mit Teilchenfallen, in denen die Planetesimale eigentlich früh und schnell entstehen sollten. Und dies sogar in variablen Verhältnissen zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Zonen des äußeren Sonnensystems. So verhindern die Hochdruckgebiete den kompletten Verlust von Material. Aber das trotzdem geschehene teilweise Wegdriften verhinderte, dass das gesamte Material durch Kollaps sehr früh in Planetesimale eingebaut wurde, sich erhitzte und dadurch das Wasser ausgetrieben worden wäre. Dadurch war dann später noch bis zu einer Zeit von etwa vier Millionen Jahren nach Entstehung der planetenbildenden Akkretionsscheibe genug Material vorhanden, um Planetesimale zu bilden, die das Wasser nicht ausgasen würden. Dies dürfte für die „Belieferung“ der Erde mit Wasser, wenn auch erst einige hunderte Millionen Jahre später, gesorgt haben. Ein Glücksfall für die Erde beziehungswiese die daraus hervorgehende Entstehung von Leben.

Publikation:
Recurrent planetesimal formation in an outer part of the early solar system
https://www.nature.com/articles/s41598-024-63768-4
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-024-63768-4.pdf

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• Planet Erde

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Quelle: GFZ 13. Juni 2024.

13. Juni 2024 – Mittlerweile planen die US-Weltraumbehörde NASA, die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), und das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ die dritte Generation, weil die Messungen völlig neue Einblicke in das System Erde und vor allem in den globalen Wasserkreislauf ermöglicht haben.

Hochrangige Delegation aus den USA besucht Deutschland
Auf Einladung der Koordinatorin der Bundesregierung für die Luft- und Raumfahrt, Dr. Anna Christmann, war eine hochrangige US-Delegation anlässlich der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung ILA (5.-9. Juni) ins Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) nach Berlin gekommen. Der geschäftsführende Sekretär des Nationalen Weltraumrates der USA, Chirag Parikh, führte die Delegation an. In einem eigenen Panel stellten Forschende des Jet Propulsion Laboratory der NASA und des GFZ den Teilnehmenden des Raumfahrtdialogs das Messprinzip und die wissenschaftlichen Erfolge der Missionen GRACE (2002 bis 2017) und GRACE Follow-On (seit 2018 im All) vor. GRACE-C soll voraussichtlich 2028 starten, das C steht für Continuity.

Wie Wassermassen vom Weltall aus gemessen werden
GRACE misst Massenveränderungen auf und in der Erde, indem es deren Effekt auf ein Satelliten-Duo aufzeichnet, das mit 220 Kilometer Abstand (das entspricht in etwa der Entfernung von Berlin und Jena) hintereinander unseren Planeten in rund 500 Kilometer Höhe umkreist. Wird ein Satellit schneller, weil er als erstes auf ein massereiches Objekt zufliegt, vergrößert sich der Abstand um Bruchteile einer Haaresbreite. Mittels Mikrowellen und seit GRACE Follow-On auch per Laser-Interferometrie können diese Abstandsänderungen gemessen werden. Hinzu kommen GPS-Empfänger an Bord sowie Beschleunigungsmesser, um einerseits die Position der Satelliten zu bestimmen und andererseits Bremseffekte zu erkennen, die etwa durch Reibung an atmosphärischen Teilchen entstehen.

Aus all diesen Daten errechnen die Forschenden monatliche Karten der globalen Änderungen der Erdanziehungskraft und der dazugehörigen Massenveränderungen. Diese beinhalten Variationen im Grundwasser, der Bodenfeuchte, von Oberflächengewässern oder Schnee- und Eisbedeckung. Mit Hilfe von komplementären Beobachtungen oder Modelldaten lassen sich so aus GRACE-Daten einzigartig beispielsweise Grundwasserveränderungen global und auf monatlicher Basis ableiten.

Lange Zeitreihen sind essenziell
Die Messungen seit mehr als 22 Jahren zeigen zum Beispiel für Grönland einen dramatischen Verlust an Eismasse: mehr als 250 Milliarden Tonnen jedes Jahr. Aber auch Deutschland hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten Wassermasse verloren. Trotz des nassen Jahres 2023 fehlen nach den schweren Dürrejahren seit 2018 immer noch rund 10 Milliarden Tonnen im Gesamtwasserspeicher.

Für die Raumfahrtkoordinatorin der Bundesregierung ist GRACE-C „ein Schlüsselprojekt“. Anna Christmann sagte: „Wir brauchen Langzeitstudien, um das Klima zu verstehen. Die Datensammlung zum globalen Wasserhaushalt der Erde, die durch die GRACE-Satelliten seit über 20 Jahren erzeugt wird, ist daher von enormer Bedeutung. GRACE-C ist deshalb auch ein wichtiges Schlüsselprojekt der neuen Raumfahrtstrategie der Bundesregierung, da es in den Handlungsfeldern Klimaschutz und internationale Zusammenarbeit große Beiträge zur Umsetzung der Ziele leistet. Die Mission ist ein absolutes Leuchtturmprojekt.“

Auch Susanne Buiter, wissenschaftliche Vorständin des GFZ, betonte die Bedeutung der langen Zeitreihen: Ziel sei es, mit dem Start von GRACE-C voraussichtlich im Jahr 2028 dann eine Klimaperiode von insgesamt 30 Jahren erfassen zu können. Sie lenkte den Blick noch einmal auf das revolutionäre Messprinzip und dessen Geschichte, die auch mit dem ersten Satelliten des GFZ verbunden sei. GFZ-1 war 1995 von der russischen Raumstation „Mir“ aus ins All gebracht worden und kreiste fünf Jahre lang so tief um die Erde, dass die Auswirkungen des Schwerefelds deutlich messbar seine Bahn beeinflussten. „Dass wir aus Schwerefelddaten einmal die Folgen der Erderwärmung und insbesondere Veränderungen im globalen Wasserkreislauf wie Dürren, Grundwasservariationen oder Eismassenverluste so genau würden bestimmen können, war damals kaum zu glauben. Und heute blicken wir auf mehr als zwei Jahrzehnte mit monatlichen Schwerefeldkarten zurück“, sagte Susanne Buiter.

Dr. Jens Brandenburg, Parlamentarischer Staatssekretär im BMBF, hob bei der gemeinsamen Pressekonferenz hervor, dass die Forschung weltweit von den gewonnenen Daten profitiere: „GRACE und GRACE-FO gehören zu den am häufigsten zitierten Missionen in den Berichten des Weltklimarates IPCC. Tausende von wissenschaftlichen Publikationen basieren auf den Daten der beiden Satelliten-Duos. Dies unterstreicht die herausragende internationale Vernetzung der deutschen Erdsystemforschung und die hohe Bedeutung der GRACE-Missionen. So können durch den Klimawandel bedingte Veränderungen dokumentiert und mit mehrjährigem Vorlauf Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung geplant werden.“

Dr. Walther Pelzer, Vorstand der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, lenkte den Blick auf die deutsch-amerikanische Kooperation. Die Partnerschaft zwischen dem Jet Propulsion Laboratory der NASA und den deutschen Partnern „ist ein Zeichen für die Qualität der Raumfahrtindustrie und -wissenschaft in Deutschland“, so Pelzer.

Hintergrund zu GRACE-C
Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter Beteiligung des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) in Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover umgesetzt. Gebaut werden die beiden Satelliten im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen.

Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Messung von winzigen Abstandsabweichungen zwischen den beiden Satelliten auf ihrem Weg um unsere Erde. Bei GRACE-C wird diese Entfernung mittels Laser-Interferometrie bestimmt. Wichtige Teile des Instruments kommen dabei von der SpaceTech GmbH in Immenstaad (STI), unterstützt vom Albert-Einstein-Institut in Hannover im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam wird für den Aufbau und die Durchführung der wissenschaftlichen Auswertungen im sogenannten Science Data System (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein. In der Betriebsphase nach dem Start der beiden Satelliten wird das GFZ für den operationellen Betrieb, also die permanente Überwachung und Steuerung der Instrumente und der Satelliten von GRACE-C, verantwortlich sein. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten, im Auftrag des GFZ, nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GSOC) in Oberpfaffenhofen gesteuert.

Weitere Informationen zu den GRACE-Satellitenmissionen stellen wir Ihnen über unser neues Informationsportal bereit:
www.globalwaterstorage.info

Insbesondere werden hier die relevanten Informationen zur globalen Wasserverfügbarkeit gebündelt, deren Grundlage die Daten der GFZ/NASA-Satellitenmissionen GRACE und GRACE-FO sind.
In anschaulich dargestellten Artikeln und Blogbeiträgen beschreiben die Wissenschaftler:innen viel Wissenswertes rund um das einzigartige Messprinzip, und stellen wichtige Forschungsergebnisse über ausgewählte Karten, Grafiken oder Animationen dar.

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• GRACE-C

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Quelle: Universität Bern 10. Mai 2024.

10. Mai 2024 – «ExoMars» ist ein Weltraumprogramm der Europäischen Weltraumorganisation ESA und steht für Exobiologie auf dem Mars: Zum ersten Mal seit den 1970er-Jahren wird aktiv nach Leben auf dem Mars geforscht. An Bord des ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) befindet sich das Color and Stereo Surface Imaging System (CaSSIS), ein Kamerasystem, das von einem internationalen Team unter der Leitung von Professor Nicolas Thomas vom Physikalischen Institut der Universität Bern entwickelt und gebaut wurde. CaSSIS beobachtet den Mars seit April 2018 und liefert hochauflösende Farbbilder der Marsoberfläche.

Mit diesen hochauflösenden Farbbildern konnte ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Adomas Valantinas Wasserfrost auf dem Mars nachweisen. Die Studie wurde soeben in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht. Valantinas war bis Oktober 2023 Doktorand am Departement Space Research & Planetary Sciences des Physikalischen Instituts der Universität Bern und ist derzeit dank des Postdoc.Mobility-Stipendiums des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) als Gastforscher an der Brown University (USA).

Eine unerwartete Entdeckung
Der Frost wurde auf den Gipfeln der höchsten Berge des Mars entdeckt – den Tharsis-Vulkanen. Diese Vulkane sind die höchsten Berge im Sonnensystem, der Olympus Mons ragt bis zu 26 km über die umliegenden Ebenen hinaus. Diese Frostbildung war nicht erwartet worden, da diese Berge in niedrigen Breitengraden in der Nähe des Marsäquators liegen. «In diesen niedrigen Breitengraden hält die starke Sonneneinstrahlung die Oberflächentemperaturen tendenziell hoch. Daher haben wir nicht erwartet, dass wir dort Frost finden», so Valantinas. Ausserdem kühlt die dünne Atmosphäre auf dem Mars die Oberfläche nur unzureichend ab, so dass hoch gelegene Oberflächen in den Mittagsstunden genauso heiss werden können wie niedrig gelegene, was auf der Erde nicht der Fall ist.

Valantinas erklärt: «Aufsteigende Winde bringen wasserdampfhaltige Luft aus dem Tiefland nach oben, die sich in der Höhe abkühlt und kondensiert. Das ist ein bekanntes Phänomen sowohl auf der Erde als auch auf dem Mars.» Das gleiche Phänomen verursacht die auffällige Arsia Mons Elongated Cloud – und die neue Studie zeigt, dass dieses Phänomen auch auf den Tharsis-Vulkanen zu morgendlichen Frostablagerungen führt. «Wie wir anhand der CaSSIS-Bilder sehen konnten, sind die dünnen Reifablagerungen nur kurz vorhanden, nämlich für einige Stunden um den Sonnenaufgang herum, bevor sie im Sonnenlicht verdampfen», so Valantinas weiter.

Erfolgreiche Zusammenarbeit
Um den Frost zu identifizieren, analysierten Valantinas und das Team mehr als 5’000 Bilder der Berner Marskamera CaSSIS. Seit April 2018 liefert CaSSIS Beobachtungen zur lokalen Staubaktivität, zu den jahreszeitlichen Veränderungen der CO₂-Eisvorkommen und zur Existenz von Trockenlawinen auf dem Mars. Nicolas Thomas sagt dazu: «Dass wir nun die nächtliche Ablagerung von Wassereis auf dem Mars bei visuellen Wellenlängen und mit hoher Auflösung nachweisen konnten, ist ein weiterer Beweis für die beeindruckenden wissenschaftlichen Fähigkeiten des Berner Kamerasystems.»

Die Entdeckung wurde durch unabhängige Beobachtungen der hochauflösenden Stereokamera (HRSC) an Bord des ESA-Orbiters Mars Express und des Spektrometers Nadir and Occultation for Mars Discovery (NOMAD) an Bord von TGO validiert. Ernst Hauber, Geologe am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin und Mitautor der aktuellen Studie erklärt: «Diese Studie zeigt sehr schön, wie wertvoll verschiedene Orbitalinstrumente sind. Durch die Kombination von Messungen verschiedener Instrumente und Modellierung können wir unser Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Oberfläche auf eine Weise verbessern, die mit einem Instrument allein nicht möglich wäre.» Die Ergebnisse zeigen gemäss Hauber auch, wie wichtig die langfristige Beobachtung planetarer Prozesse ist, da einige Phänomene erst durch den Vergleich mehrerer Messungen im Laufe der Zeit sichtbar werden.

Wichtige Erkenntnisse für zukünftige Marsmissionen
Trotz ihrer geringen Dicke – wahrscheinlich nur ein Hundertstel eines Millimeters (so dick wie ein menschliches Haar) – bedecken die Frostflecken eine riesige Fläche. «Die Menge an Frost entspricht etwa 150’000 Tonnen Wasser, die während der kalten Jahreszeit jeden Tag zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre ausgetauscht werden, was etwa 60 olympischen Schwimmbecken entspricht», erklärt Valantinas.

«Zu verstehen, wo Wasser zu finden ist und wie es sich zwischen den Reservoirs bewegt, ist für viele Aspekte der Marsforschung von Bedeutung», so Thomas. «Natürlich wollen wir die physikalischen Prozesse verstehen, die das Klima auf dem Mars bestimmen. Aber auch das Verständnis des Wasserkreislaufs auf dem Mars ist von grosser Bedeutung, um wichtige Ressourcen für die künftige Erforschung des Mars durch den Menschen zu finden und herauszufinden, wo es auf dem Mars Wasser gibt und ob der Mars früher oder heute bewohnbar war oder ist», so Valantinas abschliessend.

Publikation:
A. Valantinas, N. Thomas, A. Pommerol, E. Hauber, L. Ruiz Lozano, V. Bickel, O. Karatekin, C.B. Senel, O. Temel, D. Tirsch, G. Munaretto, M. Pajola, F. Oliva, F. Schmidt, I. Thomas, A.S. McEwen, M. Almeida, M. Read, V.G. Rangarajan, M.R. El-Maarry, C. Re, F. G. Carrozzo, E. D’Aversa, A.C. Vandaele and G. Cremonese: Evidence for transient morning water frost deposits on the Tharsis volcanoes of Mars, Nature Geoscience, June 10, 2024.
DOI: 10.1038/s41561-024-01457-7
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01457-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01457-7.pdf

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• Planet Mars

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Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 4. Juni 2024.

4. Juni 2024 – Grundwasser bildet das größte ungefrorene Süßwasserreservoir der Welt und ist für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung. Wie sich die globale Erwärmung auf dessen Temperatur auswirkt und was das für Mensch und Natur bedeutet, haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) jetzt untersucht. Die Studie zeigt, dass bis zum Jahr 2100 voraussichtlich mehr als 75 Millionen Menschen in Gebieten leben werden, in denen das Grundwasser den höchsten von einem Land festgelegten Grenzwert für die Trinkwassertemperatur überschreitet. Ihre Ergebnisse sind in Nature Geoscience veröffentlicht. (DOI: 10.1038/s41561-024-01453-x)

Das Klimasystem erwärmt sich. Grund dafür ist die erhöhte Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre, welche die Wärmeabstrahlung einschränken. Einen großen Teil dieser Wärme nehmen die Ozeane auf, aber auch Böden und das Grundwasser wirken als Wärmesenken. Bisher ist jedoch wenig darüber bekannt, wie sich diese Erwärmung der Erdoberfläche räumlich und zeitlich auf das Grundwasser auswirkt. „Um die Lücke zu schließen, haben wir die prognostizierten Veränderungen der Grundwassertemperatur bis zum Jahr 2100 auf globaler Ebene dargestellt“, sagt Dr. Susanne Benz vom Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) des KIT, welche die Studie gemeinsam mit Dr. Kathrin Menberg und Professor Philipp Blum vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des KIT erstellt hat. „Wir stellen globale Temperaturkarten für Grundwasser in verschiedenen Tiefen unter der Erdoberfläche zur Verfügung. Diese zeigen, dass an Orten mit flachem Grundwasserspiegel und/oder hoher atmosphärischer Erwärmung weltweit die höchsten Grundwassererwärmungsraten zu erwarten sind.“

Die Forschenden beziehen sich auf die Klimaszenarien „SSP2-4.5“ und „SSP5-8.5“. Solche Szenarien beschreiben verschiedene sozioökonomische Entwicklungen sowie unterschiedliche Verläufe des atmosphärischen Treibhausgasgehalts in der Zukunft. SSP2-4.5 stellt dabei etwa die Mitte der möglichen zukünftigen Treibhausgasentwicklungen dar, SSP5-8.5 den oberen Rand.

Millionen Menschen von zu warmem Trinkwasser betroffen
Die Studie zeigt, dass die Grundwassertemperaturen bis zum Jahr 2100 um 2,1 Grad Celsius nach SSP2-4.5 und um 3,5 Grad Celsius nach SSP5-8.5 ansteigen werden. „Schon heute leben rund 30 Millionen Menschen in Gebieten, in denen das Grundwasser wärmer ist, als die strengsten Richtlinien für Trinkwasser vorgeben. Das bedeutet, dass das Wasser dort nicht bedenkenlos direkt getrunken werden kann, sondern zum Beispiel abgekocht werden muss. Denn auch das Trinkwasser in den Wasserleitungen wird durch die Wärme im Boden aufgeheizt“, so die Wissenschaftlerin. „Je nach Klimaszenario werden bis zum Jahr 2100 bis zu mehrere Hundert Millionen Menschen betroffen sein.“ Nach SSP2-4.5 steige die Zahl auf 77 bis 188 Millionen Menschen, nach SSP5-8.5 auf 59 bis 588 Millionen an, so die Studie. Die starken Schwankungen hängen mit der räumlichen Variabilität des Klimawandels und der Bevölkerungsentwicklung zusammen. Die geringsten Erwärmungsraten prognostizieren die Forschenden für Gebirgsregionen mit tief liegendem Grundwasserspiegel wie die Anden oder die Rocky Mountains.

Temperaturänderungen beeinflussen Ökosysteme
Die Temperatur des Grundwassers spielt eine entscheidende Rolle für die Wasserqualität. Sie beeinflusst eine Vielzahl chemischer, biologischer und physikalischer Prozesse. „Wenn die Bedingungen stimmen, können steigende Grundwassertemperaturen indirekt dazu führen, dass sich schädliche Stoffe wie Arsen oder Mangan im Grundwasser anreichern. Diese erhöhten Konzentrationen können sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken, insbesondere wenn das Grundwasser als Trinkwasserquelle genutzt wird“, sagt Benz. Zudem beeinflusse wärmeres Grundwasser den Temperaturhaushalt von Flüssen, grundwasserabhängige Ökosysteme, aquatische biogeochemische Prozesse und das geothermische Potenzial. Dies stelle eine Herausforderung für die biologische Vielfalt dar und berge das Risiko, dass Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufe gestört werden.

Darüber hinaus können die erhöhten Temperaturen im oberflächennahen Boden und im Grundwasser kritische Schwellenwerte in den Wasserverteilungsnetzen überschreiten. Dies könnte gesundheitliche Folgen haben, beispielsweise durch das Wachstum von Krankheitserregern wie Legionella spp. Auch Fischarten, insbesondere der Lachs, sind von den veränderten Bedingungen betroffen. Laichplätze in Flüssen, die auf das Grundwasser angewiesen sind, könnten durch die Erwärmung zu warm werden und so die Fortpflanzung gefährden. „Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, Maßnahmen zum Schutz der Grundwasserressourcen zu ergreifen und nachhaltige Lösungen zu finden, um den negativen Auswirkungen des Klimawandels auf das Grundwasser entgegenzuwirken“, appelliert Benz.

Details zum KIT-Zentrum Klima und Umwelt
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

Originalpublikation
Susanne A. Benz, Dylan J. Irvine, Gabriel C. Rau, Peter Bayer, Kathrin Menberg,
Philipp Blum, Rob C. Jamieson, Christian Griebler, Barret L. Kurylyk: Global groundwater warming. Nature Geoscience, 2024.
DOI: 10.1038/s41561-024-01453-x
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01453-x
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01453-x.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL 4. Juni 2024.

4. Juni 2024 – Francesca Carletti holt mit dem Hammer aus. Immer tiefer treibt sie die Wasserwertsonde in den Schnee, um das Schneewasseräquivalent (SWE, siehe Kasten) zu bestimmen. Dies ist nur ein Teil der vielen Daten, die sie an diesem sonnigen Märztag auf dem Versuchsfeld Weissfluhjoch bei Davos misst. Ihr Ziel: eine Strategie zu entwickeln, die den Beginn und die Menge der Schneeschmelze genauer anzeigt. Angesichts des Klimawandels werde dies immer wichtiger, erklärt die Doktorandin am WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF: «Derzeit wird der Höhepunkt der Schmelze je nach Modell oft für einen zu frühen oder zu späten Zeitpunkt vorhergesagt.»

Genauere Angaben zum Beginn der Schneeschmelze und der zu erwartenden Menge Wasser sind wichtig, um Infrastrukturen zu schützen und menschliche Aktivitäten zu planen. Auch Teile der Wirtschaft profitieren, beispielsweise Stromerzeuger und der Agrarsektor. «Es hilft zudem bei der Hochwasserwarnung und ebenso, die Bedingungen für Nassschneelawinen zu ermitteln», ergänzt die Wissenschafterin.

Um ihr Ziel zu erreichen, graben Carletti und ihre Kollegen Löcher und messen darin die Eigenschaften des Schnees. Ist der Schnee trocken, genügt ein solches Profil pro Woche. Ist er nass, graben und messen sie bis zu dreimal pro Woche. An diesem Tag im März halfen Francesca zwei Mitarbeitende aus anderen Forschungsgruppen des SLF. Zu dritt verbrachten sie zwei Stunden damit, zweieinhalb Meter tief zu graben. Dabei bewegten sie fast zwei Tonnen Schnee – und müssen diese Massen wieder in das Loch werfen, wenn Carletti fertig gemessen hat.

Sie geht einem Phänomen nach zwischen der Feuchtigkeit des Schnees und den Radarwellen, die dieser an den Satelliten Sentinel-1 reflektiert. Der Satellit sendet Radarwellen aus seiner Umlaufbahn zur Erdoberfläche und misst, wie viel davon zurückkommt. Etwa zweimal alle fünf Tage überfliegt er das Versuchsfeld Weissfluhjoch. Schon länger ist ein direkter Zusammenhang bekannt: Wird der Schnee nass, nimmt die Intensität der reflektierten Wellen ab. Noch vergleichsweise neu ist die Theorie, dass sie ihren tiefsten Punkt genau dann erreicht, wenn der Gehalt an flüssigem Wasser im Schnee (Liquid Water Content, LWC, siehe Kasten) am höchsten ist. Das Wasser beginnt dann, in Bäche, Flüsse und Seen abzufliessen. «Wir wollen diesen Zusammenhang nachweisen», erklärt Carletti. Gelingt ihr das, könnten die Satellitendaten in Zukunft dazu dienen, Wasserressourcen einzuschätzen, nicht nur für die Schweiz, sondern weltweit. Beispielsweise können Betreiber von Wasserkraftwerken auf Basis dieser Daten besser planen, wann sie ihre Rückhaltebecken auffüllen.

Noch steht Carletti allerdings regelmässig in einem tiefen Schneeloch, klettert eine Leiter hoch und runter, steckt mehr als ein Dutzend Thermometer in die Schneewand. Mit einer Präzisionswaage bestimmt sie die Dichte des Schnees und wie sich diese vom oberen Rand ihres Lochs bis zum Boden verändert. Für den LWC verwendet sie eine spezielle Sonde, die Techniker am SLF entwickelt haben und die sie in regelmässigen, vertikalen Abständen in die Schneewand einführt.

Der Winter 2023/24 ist bereits die zweite Saison, in der sie misst – und sie ist zuversichtlich, dass sie den Zusammenhang zwischen Satellitendaten und Prozessen bei der Schneeschmelze nachweisen kann: «Bis jetzt habe ich gute Ergebnisse, was die Übereinstimmung angeht.»

Was ist … das Schneewasseräquivalent (SWE)?
Eine Schneedecke besteht aus zahlreichen Schichten mehr oder weniger stark zusammengepressten (dichten) Schnees. Das Schneewasseräquivalent gibt an, wie hoch eine Wasserschicht nach dem Schmelzen der Schneedecke wäre, angegeben in Millimeter. Jeder Millimeter entspricht einem Liter Wasser pro Quadratmeter Schneedecke. Ein Zentimeter Neuschnee mit einer typischen Dichte von hundert Kilogramm pro Kubikmeter kg/m³ ergibt einen Millimeter Wasser. Ein Beispiel: Mitte April 2024 betrug die mittlere Dichte der Schneedecke auf dem Versuchsfeld Weissfluhjoch 416 Kilogramm pro Kubikmeter, was bei einer Schneehöhe von 2,7 Metern einem Wasserwert von rund 1100 Millimetern beziehungsweise 1100 Liter Wasser pro Quadratmeter entspricht.

Was ist … der Wassergehalt (Liquid Water Content, LWC)?
Schnee besteht aus festem Wasser. In einer Schneedecke kann jedoch gleichzeitig sowohl gefrorenes, festes als auch flüssiges Wasser vorkommen. Der Flüssigwassergehalt (Englisch: Liquid Water Content, kurz LWC) gibt den prozentualen Anteil des flüssigen Wassers in einer Schneedecke an. Bei null Prozent ist der Schnee trocken, eine feuchte Schneedecke kommt auf Werte von bis zu vier Prozent, Nassschnee hat einen Wert um die 20 Prozent.

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• Planet Erde

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Quelle: GFZ 11. Mai 2024.

11. Mai 2024 – Der Vergleich mit geologischen Karten, Informationen zu Grundwasserspeichern und Daten der GRACE-Satellitenmission zeigt einen besorgniserregenden Trend: In zahlreichen iranischen Provinzen wächst das Risiko einer irreversiblen Erschöpfung und Schädigung der Grundwasserreservoirs, wobei einige Reservoirs möglicherweise dauerhaft verloren gehen.
Insbesondere in der südostiranischen Provinz Kerman kommt es zu dramatischen Absenkungsraten. „Der Bezirk Rafsanjan in der Provinz Kerman ist Irans Zentrum der Pistazienproduktion, und wir haben dort alarmierende Senkungsraten gemessen, die an einigen Standorten 35 Zentimeter pro Jahr übersteigen“, sagt Mahdi Motagh. Er ist Arbeitsgruppenleiter in der GFZ-Sektion „Fernerkundung und Geoinformatik“ und Professor am Institut für Photogrammetrie und GeoInformation an der Leibniz-Universität Hannover, wo Hauptautor Dr. Mahmud Haghshenas Haghighi Wissenschaftlicher Mitarbeiter ist. Sie nutzten Radar-Interferometrie (Engl. “Interferometric Synthetic Aperture Radar”| InSAR), um die Bodenabsenkungen zu messen. „Anhand von mehr als 6.000 Sentinel-1-Bildern aus dem Zeitraum zwischen 2014 und 2020 haben wir eine Karte der Landabsenkung mit einer bislang einzigartigen Auflösung von 100 Metern für ganz Iran erstellt“, sagt Motagh.

In dem Land mit rund 84 Millionen Menschen zeichnet sich seit Jahren eine Grundwasserkrise ab. Durch die Kombination von Satellitendaten mit verschiedenen geologischen Beobachtungen und hydrogeologischen Messungen wurde für Iran ein nicht nachhaltiger jährlicher Grundwasserverlust von 1,7 Milliarden Kubikmetern (BCM) ermittelt. Das Ausmaß dieses Verlustes stellt eine große Herausforderung dar, da die Wiederauffüllung solcher Grundwasservolumina Hunderte oder sogar Tausende von Jahren dauern könnte, wenn sie überhaupt möglich ist.

Den Autoren zufolge ist der Hauptgrund für diesen enormen Verlust an Grundwasser die nicht nachhaltige Bewässerungslandwirtschaft, die durch das Bevölkerungswachstum und die Industrialisierung des Iran noch verstärkt wird. Mahdi Motagh sagt: „Die nicht-nachhaltige Entnahme von Grundwasser ist leider alltägliche Praxis geworden.“

Landabsenkungen, die ein sichtbares Zeichen für die Verdichtung der Grundwasserleiter sind, treten im ganzen Land auf. Etwa 3,5 Prozent der iranischen Landfläche sind von diesem Problem betroffen, das Millionen von Menschen und wichtige Infrastrukturen wie Flughäfen und Eisenbahnen in Mitleidenschaft zieht. In Provinzen wie Teheran, Isfahan, Kerman und Khorasan Razavi wohnt mehr als ein Viertel der Bevölkerung in Gebieten, die in unterschiedlichem Maße von Bodensenkungen bedroht sind. „Die in Provinzen wie Kerman, Teheran, Alborz, Fars und Khorasan Razavi gemessenen Absenkungsraten von mehreren zehn Zentimetern pro Jahr gehören zu den höchsten der Welt“, sagt Mahmud Haghshenas Haghighi.

Die beiden Autoren betonen: „Diese umfassende Analyse unterstreicht den dringenden Bedarf an sofortigen Maßnahmen und der Umsetzung einer kohärenten Grundwasserpolitik. Eine solche Politik ist für die Bewältigung der iranischen Grundwasserkrise und die Bekämpfung des Wasserdefizits von entscheidender Bedeutung.“

Originalpublikation:
Mahmud Haghshenas Haghighi, Mahdi Motagh, Uncovering the impacts of depleting aquifers: A remote sensing analysis of land subsidence in Iran.Sci. Adv.10, eadk3039(2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk3039
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3039

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• GRACE-C

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Im AstroGeo-Podcast erzählen Karl Urban und Franzi Konitzer abwechselnd eine Geschichte, die ihnen die Steine des kosmischen Vorgartens eingeflüstert oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben.
In dieser Episode geht es um euer Feedback zu den Geschichten: Das AstroGeoPlänkel ist eine regelmäßige Sonderfolge, in der es um eure Fragen, Kommentare, Anmerkungen und Wünsche geht.

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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Eingepackt in eine dicke Atmosphäre aus Wasserstoff fristet K2-18b seit einigen Jahrmilliarden eine eigentlich unbescholtene Existenz als Exoplanet um einen roten Zwergstern. Er kreist irgendwo in Richtung des Sternbilds Löwe, rund 120 Lichtjahre von uns entfernt. Doch nachdem Forschende ihn 2015 entdeckt hatten, gerieten zumindest sie in Aufregung: Denn K2-18b ist zwar größer als die Erde und gleichzeitig weniger dicht – er besitzt also vermutlich keine feste Oberfläche aus Gestein – aber er umkreist seinen Stern in der sogenannten habitablen Zone: der Region um einen Stern, in der es flüssiges Wasser geben könnte. Außerdem ist der Planet mit einer dicken Atmosphäre gesegnet, die sich indirekt mit unseren Weltraumteleskopen beobachten lässt. Somit ist K2-18b ein perfektes Ziel für Forscherinnen und Forscher, die mehr über die für uns so fremde Welt erfahren wollen.

In dieser Podcastfolge erzählt Franzi die Geschichte des Exoplaneten K2-18b: was wir derzeit wirklich über diesen Planeten wissen können und was nicht – und woher die Gerüchte kommen, dass auf diesem so unscheinbaren Exoplaneten gar eine Biosignatur entdeckt worden sein soll.

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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Quelle: GFZ 21. März 2024.

21. März 2024 – Am 22. März ist der Welttag des Wassers. Vermeintlich allgegenwärtig, ist Wasser längst in weiten Teilen der Welt zur kostbaren und knappen Ressource geworden. Der Klimawandel hat die Situation vielerorts verschärft. Auch Deutschland hat in den vergangenen fünf Jahren drastische Dürren erlebt. Für das Jahr 2023 haben jetzt Forschende um Eva Börgens und Christoph Dahle vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ den soeben komplettierten aktuellsten Datensatz des Satellitenduos GRACE-Follow-On ausgewertet, der auf Basis von Schwerefeldmessungen genaue Einblicke in die Wasserbilanz der Erde ermöglicht. Sie zeigen, dass sich der Gesamtwasserspeicher in Deutschland im Jahr 2023 zwar etwas erholt hat, dass im Vergleich zum langjährigen Mittel aber immer noch rund 10 Milliarden Tonnen fehlen. Zum Vergleich: Der Bodensee fasst in etwa 48 Milliarden Tonnen Wasser. Für Europa ist gegenüber dem Mittelwert seit Beginn der Messungen im Jahr 2002 ein Rückgang des Gesamtwasserspeichers um rund 100 Milliarden Tonnen zu verzeichnen. Daraus lässt sich zum aktuellen Zeitpunkt allerdings noch kein eindeutiger Trend ableiten.

Der sogenannte terrestrische Gesamtwasserspeicher TWS (von engl. Terrestrial Water Storage) setzt sich zusammen aus den Wasserkreislaufkomponenten Eis (also Gletscher), Schnee, Bodenfeuchte, Grundwasser sowie dem Oberflächenwasser in Flüssen, Seen und künstlichen Reservoiren. TWS ist eine wichtige Messgröße für die Umwelt- und Klimaforschung. Sie gehört mittlerweile offiziell zu den 54 „Essenziellen Klimavariablen“, die entscheidend zur Charakterisierung des Erdklimas beitragen und wichtige Basis für die Arbeit des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) sind. Der TWS wird von der deutsch-amerikanischen GRACE-FO-Mission zur Verfügung gestellt.

Damit liefern die Schwerefeldmissionen nicht nur wertvolle Daten zum Wasser auf und unter der Erdoberfläche, sondern auch zur Massenbilanz der großen Inlandeisschilde über Grönland und der Antarktis. Der Trend ist hier dramatisch: Jahr für Jahr verliert Grönland rund 224 Milliarden Tonnen an Eis und die Antarktis, die ungleich kälter ist, 138 Milliarden Tonnen.

Neues Informationsportal des GFZ zur globalen Wasserspeicherung
Diese und weitere aktuelle sowie hintergründige Informationen zu den GRACE-Satellitenmissionen, ihrem Messprinzip und der Datenauswertung, aber auch zu Forschungsprojekten sowie Animationen und Karten finden Sie in dem neuen Informationsportal globalwaterstorage.info, das das GFZ eingerichtet hat. Beispielsweise findet sich hier eine animierte Zeitreihe, die eindrücklich zeigt, wie Europas Gesamtwasserspeicher seit 2002 immer kleiner geworden ist. Faktenblätter und Themendossiers ergänzen das Angebot, das sich insbesondere an Vertreter:innen der Medien und politische Entscheidungsträger:innen, aber auch an die breite interessierte Öffentlichkeit richtet.

Schwerefeldmission wird fortgesetzt und auch künftig wichtige Wasser- und Klimadaten liefern
Seit 2002 liefern die Tandem-Satelliten der GRACE- bzw. seit 2018 der nachfolgenden GRACE-FO-Mission wichtige Daten für die Klimabeobachtung: GRACE steht für Gravity Recovery and Climate Experiment, übersetzt: Schwerkraftermittlungs- und Klimaexperiment. Sie ist eine gemeinsame Mission der NASA, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR sowie des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ mit weiteren Forschungs- und Industriepartnern. Die Satelliten ermöglichen die kontinuierliche Überwachung des Schwerefelds der Erde. Auf Basis von dessen winzigen Änderungen können zeitliche und räumliche Veränderungen im globalen Wasser- und Eishaushalt ermittelt werden – und damit auch der Einfluss, den der Klimawandel darauf hat.

Die an den GRACE-Missionen beteiligten Forschungseinrichtungen in den USA und Deutschland, die Industriepartner sowie die Bundesministerien für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und für Bildung und Forschung (BMBF) haben sich geeinigt, die Mission fortzusetzen: Voraussichtlich 2028 wird GRACE-C starten und auch weiterhin das Schwerefeld der Erde vermessen. Damit ist sichergestellt, dass die Vermessung des Wasserkreislaufs der Erde über eine Zeitspanne von wenigstens rund 30 Jahren erfolgen kann – ein Zeitraum, der als Klimaperiode gilt.

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

Der Beitrag Gesamtwasserspeicher: Bilanz 2023 für Deutschland erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR 19. März 2024.

19. März 2024 – Der Mittelmeerraum Europas trocknet seit Jahren aus. In einigen Regionen Spaniens – wie in der Metropole Barcelona – herrscht Alarmzustand, weil der Grundwasserspiegel teilweise um drei Meter pro Jahr fällt. Und auch auf dem gesamten Kontinent ist er seit dem Rekord-Dürrejahr 2018 konstant niedrig, auch wenn Extremwetterereignisse mit Überschwemmungen in jüngster Zeit einen anderen Eindruck vermitteln. So hat Deutschland innerhalb der vergangenen 20 Jahre mehr als 15 Milliarden Tonnen Wasser verloren. Um solche Daten zu gewinnen und mit ihnen ein genaues Bild von den Grundwasserspiegeln wie auch des globalen Wasserhaushalts zu bekommen, muss man aus dem All unter die Erdoberfläche „schauen“. Hierbei helfen gemeinsam mit anderen Messmethoden seit über zwei Jahrzehnten die Daten eines ganz besonderen Satellitenpärchens: Am 17. März 2002 starteten mit „Tom“ und „Jerry“ die ersten beiden Satelliten im „Gravity Recovery and Climate Experiment“ – kurz GRACE-Mission – der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

22 Jahre später haben die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR und die NASA mit GRACE-C diese sehr erfolgreiche Mission nach GRACE Follow-On (GRACE-FO) zum zweiten Mal verlängert. Das „C“ steht dabei für „Continuity“, womit die Konstanz in den Messreihen dieser Umweltmissionen gewürdigt wird. Von deutscher Seite als wissenschaftliche Beteiligte dabei sind das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. Gebaut werden die Satelliten bei Airbus in Friedrichshafen. Wichtige Teile des Instruments kommen dabei von der SpaceTech GmbH in Immenstaad (STI). Der Start für das neue Satellitenpaar von GRACE-C ist für das Jahr 2028 mit einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX vorgesehen. Im Anschluss soll das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) beim DLR in Oberpfaffenhofen die Missionskontrolle übernehmen.

„Ohne Wasser kein Leben. Das macht Wasser gemeinsam mit sauberer Luft zur wichtigsten Ressource, die wir auf der Erde haben. Doch die Grundwasserspiegel auf der ganzen Welt verändern sich stetig. Hierbei geht es nicht um Kleinigkeiten. Mit den GRACE-Satelliten erfassen wir seit mehr als 20 Jahren jede Veränderung dieser Massentransporte global so präzise, dass Forschende zum Beispiel den Wasserhaushalt der Erde mit zuvor unerreichter Genauigkeit und Konstanz messen konnten. Die Mission GRACE-C wird diese unschätzbar wertvolle Datensammlung fortsetzen, die zu den Grundlagen für die Berichte des Weltklimarates gehört“, betont Dr. Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des DLR und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn. „Gemeinsam mit der NASA gehen wir nun den GRACE-Weg in der Erdbeobachtung weiter und stärken damit unsere internationalen Kooperationen in der Raumfahrt. Die USA und Deutschland arbeiten seit langem eng bei der Klima- und Umweltforschung aus dem All zusammen. Das Vertrauen, das unsere US-amerikanischen Partner bei diesen Missionen mit der Beauftragung des Satellitenbaus und der Lieferung von wichtigen Teilen des GRACE-C-Instrumentes sowie der Missionskontrolle in deutsches Raumfahrt-Know-How setzen, ist auch ein Zeichen für die Leistungsfähigkeit des Raumfahrtstandorts Deutschland“, unterstreicht Dr. Walther Pelzer.

„GRACE-C ist ein internationales Gemeinschaftsprojekt zur Beobachtung und Erforschung einer der wertvollsten Ressourcen unseres Planeten“, sagt Dr. Nicola Fox, Stellvertretende NASA-Administratorin zuständig für Wissenschaft in Washington. „Von unseren Küsten bis zu unseren Küchentischen gibt es keinen Aspekt unseres Planeten, der nicht von Veränderungen im Wasserkreislauf betroffen ist. Die Partnerschaft zwischen der NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt wird eine entscheidende Rolle bei der Vorbereitung auf die Herausforderungen von heute und morgen spielen“, so Nicola Fox weiter.

GRACE-C – NASA verlässt sich auf deutsche Raumfahrtexpertise
Gebaut werden die beiden Satelliten im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen. Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Messung von winzigen Abstandsabweichungen zwischen den beiden Satelliten auf ihrem Weg um unsere Erde. Bei GRACE-C wird diese Entfernung mittels Laser-Interferometrie bestimmt. Ein wichtiger Teil dieses Laser Ranging Interferometer (LRI)-Systems – die sogenannte optische Bank und der Retroreflektor – kommt dabei von der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad am Bodensee. Deren Ingenieurinnen und Ingenieure werden dabei vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover unterstützt. Das AEI berät technisch und bezahlt die Beschaffung von LRI-Komponenten sowie von Test-Equipment, die wiederum von STI beauftragt werden. Das AEI überwacht auch die technischen Funktionen des LRI in der Betriebsphase.

GRACE-C – Wassermassen und Kontinente werden aus dem All gewogen
Doch wie messen die Satelliten mit diesem besonderem Lasersystem eigentlich die Verschiebung der Massen? Die Idee hinter dem GRACE-Prinzip ist eigentlich ganz einfach: Das Satellitenpärchen erfasst die Massen alleine anhand ihrer Schwerkraftwirkung. Dafür fliegen die beiden Satelliten jeweils in einem mittleren Abstand von nur rund 220 Kilometern hintereinander her. Relative Distanzabweichungen und Geschwindigkeit der beiden werden dabei mithilfe der Laser ständig ganz exakt gemessen. Dabei wird eine Genauigkeit von 200 bis 300 Picometern erreicht, was in etwa der Größe eines Atoms entspricht.

„Gestein und Wasser – egal ob in fester oder flüssiger Form – beeinflussen dabei mit ihren Massen die Flugbahn der Satelliten im All. Je stärker diese Gewichtskraft ist, desto mehr wird der voranfliegende Satellit beim Überflug von ihr angezogen. Dadurch beschleunigt er und entfernt sich vom anderen Satelliten. Je schwächer diese Kraft ist, desto weniger wird der voranfliegende Satellit beschleunigt. So nähert er sich wieder dem hinteren an. Diese minimale Veränderung im gegenseitigen Abstand wird kontinuierlich über jeden Umlauf um die Erde gemessen. Im übertragenen Sinne wiegen wir mit GRACE, wie Eisschilde und auch die Kontinente von Monat zu Monat ab- oder zunehmen“, erklärt Dr. Sebastian Fischer, GRACE-C-Programmleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Doch das Wiegen geschieht nicht nur im All. Erst anhand von komplizierten Rechenverfahren am Boden werden die minimalen Bewegungen der Satelliten im Erdorbit in Schwerefeldwerte übersetzt und mit anderen Daten kombiniert. Dies ermöglicht unter anderem die Messung von Änderungen im Grundwasserspiegel mit einer Genauigkeit von einem Zentimeter auf 400 Kilometer Durchmesser – und das alle 30 Tage für die gesamte Erde. Hierbei spielt das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam eine wichtige Rolle: Es wird für den Aufbau des sogenannten Science Data Systems (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein. In der Betriebsphase ist das GFZ dann für den wissenschaftlichen Betrieb von GRACE-C zuständig.

GRACE-C – deutsch-amerikanische Mission unter DLR-Kontrolle
Nach dem Start der beiden GRACE-C-Satelliten an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX voraussichtlich im Jahr 2028 werden sie in rund 500 Kilometern Höhe ausgesetzt. Rund eine Minute später soll die erste Kontaktaufnahme mit einer Bodenstation stattfinden. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GOSC) in Oberpfaffenhofen gesteuert.

GRACE – erfolgreiche Missionsreihe zur Beobachtung unserer Umwelt
GRACE war eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA und des DLR, die bis zum Jahr 2017 betrieben wurde und damit dreimal länger als ursprünglich geplant aktiv war. Die wissenschaftliche Datenauswertung erfolgte durch die University of Texas und durch das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). Der Betrieb oblag dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum beim DLR in Oberpfaffenhofen und wurde vom DLR (aktuell der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und dem GFZ finanziert. Das NASA JPL managte die Mission im Auftrag des NASA Science Mission Directorate in Washington. Die GRACE-„Zwillinge“ wurden von Airbus in Friedrichshafen im Auftrag der NASA gebaut. Dort entstanden, wiederum NASA-finanziert, auch die Nachfolger der Mission GRACE-FO, die seit ihrem Start am 22. Mai 2018 die Gravitationsmessungen fortsetzen. Auch die GRACE-C-Mission, die im Jahr 2028 starten soll, wird in Friedrichshafen gebaut. Der deutsche Beitrag wird von der Deutschen Raumfahrtagentur mit mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) umgesetzt. Dies wird durch Beiträge der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) auf deutscher Seite unterstützt. Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird dabei für die wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) gemeinsam mit der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad für die Entwicklung und den Bau der laserbasierten Abstandsmessung zwischen dem GRACE-Satellitenpaar zuständig sein.

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