Neu­es Satel­li­ten­kon­zept zur Atmosphärenforschung

Natür­li­che Phä­no­me­ne wie Vul­kan­aus­brü­che sowie Treib­haus­ga­se und Luft­schad­stof­fe wir­ken sich auf die Erd­at­mo­sphä­re aus. Die­se Pro­zes­se detail­liert unter­su­chen zu kön­nen, ist Ziel des Satel­li­ten­kon­zep­tes CAIRT, das For­schen­de des Karls­ru­her Insti­tuts für Tech­no­lo­gie (KIT) und ihre Part­ner ent­wi­ckelt haben. Die Euro­päi­sche Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on ESA hat die­ses Kon­zept nun als einen von vier Kan­di­da­ten für eine Mis­si­on zur wis­sen­schaft­li­chen Erd­be­ob­ach­tung aus­ge­wählt. Für die vier Vor­schlä­ge fol­gen zunächst Mach­bar­keits­stu­di­en, bevor 2025 eine Mis­si­on end­gül­tig aus­ge­wählt wird, die im Jahr 2031 oder 2032 als „Earth Explo­rer 11“ star­ten soll. CAIRT steht für „The Chan­ging-Atmo­s­phe­re Infra-Red Tomo­gra­phy Explo­rer“. Es han­delt sich dabei um ein Infra­rot-Tomo­gra­phie-Expe­ri­ment zur Unter­su­chung der Atmo­sphä­re im Wandel.

„Kli­ma­mo­dell­rech­nun­gen zei­gen uns, dass sich die glo­ba­le Atmo­sphä­re vom Erd­bo­den bis zum Ran­de des Welt­welt­raums in einem tief­grei­fen­den Wan­del befin­det, aus­ge­löst durch anthro­po­ge­ne Emis­sio­nen von Treib­haus­ga­sen, Luft­schad­stof­fen und ozon­zer­stö­ren­den Sub­stan­zen. Dar­über hin­aus gibt es natür­li­che Ände­run­gen der Atmo­sphä­re, zum Bei­spiel durch gro­ße Vul­kan­aus­brü­che oder Varia­ti­on in der Son­nen­ak­ti­vi­tät. Wir haben aber bis­her nicht die benö­tig­ten Beob­ach­tun­gen, um die­se Ände­run­gen und die ihnen zugrun­de lie­gen­den Pro­zes­ses im Detail unter­su­chen zu kön­nen. CAIRT kann die­se Daten liefern.“
— Dr. Björn-Mar­tin Sinn­hu­ber vom Insti­tut für Meteo­ro­lo­gie und Kli­ma­for­schung des KIT

Die Ver­än­de­run­gen in der Zusam­men­set­zung der Atmo­sphä­re zu ver­ste­hen, sei wich­tig, da sie, zusam­men mit Ver­än­de­run­gen in der Zir­ku­la­ti­on, Kli­ma, Wet­ter und Luft­qua­li­tät beein­fluss­ten, so Sinn­hu­ber. „Für belast­ba­re Vor­her­sa­gen ver­ste­hen wir heu­te bei­spiels­wei­se noch nicht gut genug, wie sich die Zir­ku­la­ti­on auf die Tem­pe­ra­tu­ren an der Erd­ober­flä­che, auf Dür­ren oder auf extre­me Nie­der­schlags­er­eig­nis­se aus­wirkt. Die­se Ver­än­de­run­gen hän­gen zudem ent­schei­dend damit zusam­men, wie sich die Ozon­schicht erholt.”

Tomo­gra­phie für die Erdatmosphäre

Das Satel­li­ten­kon­zept nutzt inno­va­ti­ve Tech­no­lo­gien, um drän­gen­de Fra­gen zum Kli­ma­wan­del zu lösen. Kern­stück ist ein abbil­den­des Infra­rot­spek­tro­me­ter, mit dem in bis­her uner­reich­ter räum­li­cher Auf­lö­sung eine Viel­zahl von Spu­ren­ga­sen, Aero­so­len und atmo­sphä­ri­schen Wel­len ver­mes­sen wer­den kön­nen. Dazu wird das Kon­zept die Atmo­sphä­re in einer Höhe von fünf bis 115 Kilo­me­tern im Infra­rot­be­reich mit einer hori­zon­ta­len Auf­lö­sung von etwa 50 mal 50 Kilo­me­tern und einer ver­ti­ka­len Auf­lö­sung von einem Kilo­me­ter vermessen.
„Als Unter­su­chungs­ver­fah­ren ist die Tomo­gra­phie viel­leicht aus der medi­zi­ni­schen Dia­gnos­tik bekannt. Wir machen nun etwas Ähn­li­ches mit der glo­ba­len Atmo­sphä­re“, so Sinn­hu­ber. „Ein sol­ches abbil­den­des Infra­rot­spek­tro­me­ter ist bis­her noch nicht im Welt­raum ein­ge­setzt wor­den. Unser Ziel ist, durch die Infra­rot­mes­sun­gen ein detail­lier­tes Bild vom inne­ren Zustand der Atmo­sphä­re zu bekom­men – vom Erd­bo­den bis an den Rand des Weltalls.“

Erfah­rung in der Atmo­sphären­er­kun­dung – Part­ner im In- und Ausland

Das Satel­li­ten­kon­zept baut auf Erfah­rung in der Atmo­sphä­ren­fern­erkun­dung an dem Insti­tut auf. Auf die­sem Gebiet haben die Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler in den ver­gan­ge­nen Jah­ren bereits Pio­nier­ar­beit geleis­tet. „Mit dem GLO­RIA-Instru­ment betreibt das KIT gemein­sam mit dem For­schungs­zen­trum Jülich eine Art Pro­to­typ vom Flug­zeug und Bal­lon aus, mit dem uns schon groß­ar­ti­ge wis­sen­schaft­li­che Beob­ach­tun­gen gelun­gen sind. CAIRT wird das noch ein­mal im wahrs­ten Sin­ne des Wor­tes auf ein neu­es Niveau heben, weil wir dann täg­lich glo­ba­le Mes­sun­gen bekom­men kön­nen“, so Sinn­hu­ber. „Die­ses Kon­zept baut auf die­ser umfas­sen­den Erfah­rung in der Atmo­sphä­ren­fern­erkun­dung auf, zu der neben Satel­li­ten­ex­pe­ri­men­ten auch Unter­su­chun­gen mit Flug­zeu­gen, Bal­lons und vom Boden zählen.“
Der nun von der ESA aus­ge­wähl­te Vor­schlag wird von dem Insti­tut koor­di­niert. Wei­te­re Part­ner sind die bri­ti­sche Uni­ver­si­tät Leeds, das Bel­gi­sche Insti­tut für Welt­raum-Aero­no­mie, das Insti­tut für Astro­phy­sik Anda­lu­si­ens, das Natio­na­le Zen­trum für wis­sen­schaft­li­che For­schung (CNRS) in Frank­reich, das Euro­päi­sches Zen­trum für mit­tel­fris­ti­ge Wet­ter­vor­her­sa­ge (ECMWF), das For­schungs­zen­trum Jülich, das Insti­tut für Ange­wand­te Phy­sik „Nel­lo Car­ra­ra“ des ita­lie­ni­schen For­schungs­ra­tes, das Unter­neh­men Air­bus sowie die Uni­ver­si­tät Toron­to in Kanada.