Atmosphärenuntersuchungen NASA-Programm soll besseres Verständnis für Atmosphärenprozesse liefern

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Das Forschungszentrum Jülich ist an einem NASA-Satellitenprogramm beteiligt. Ziel der Mission ist es, Prozesse in der oberen Atmosphäre und Ionosphäre ab etwa 80 Kilometern Höhe besser zu verstehen – und damit Vorhersagen zu verbessern, die für Satellitenbetrieb, Kommunikation und Navigation entscheidend sind.

Atmosphärische Schwerewellen entstehen meist in der Troposphäre, zum Beispiel bei der Überströmung von Bergen oder durch Konvektion. Sie können Störungen in Thermosphäre und Ionosphäre auslösen – mit Folgen für Satellitenbahnen sowie Funk- und Navigationssignale. In einem internationalen Satelliten-Programm will die US-Raumfahrtbehörde NASA nun diese Schwerewellen näher untersuchen. Teams am Forschungszentrum Jülich entwickeln zusammen mit Partnern das Messinstrument an Bord des Satelliten, das Lichtsignale aus der Atmosphäre erfasst und damit untersucht, wie sich atmosphärische Schwerewellen in großen Höhen ausbreiten. Damit bringt Jülich wissenschaftliche Expertise und Instrumentenentwicklung in eine internationale NASA-Mission ein. Das H-Fort-Programm (Heliophysics Flight Opportunities for Research and Technology) unterstützt kosteneffiziente Forschungs- und Technologiemissionen mit Kleinsatelliten.

Bislang ist nur begrenzt bekannt, wie stark atmosphärische Schwerewellen die oberen Schichten der Atmosphäre tatsächlich beeinflussen. Besonders schwierig ist es, ihre Ausbreitung und ihre Wirkung in großen Höhen präzise zu erfassen. Atmocube (Atmospheric Oxygen Cubesat Mission) soll diese Lücke schließen: Mit hochaufgelösten Messungen liefert die Mission neue Daten darüber, wie Energie aus der unteren Atmosphäre nach oben weitergegeben wird – und wie dadurch Veränderungen in Thermosphäre und Ionosphäre entstehen. Diese Erkenntnisse sind eine wichtige Grundlage, um bestehende Atmosphärenmodelle zu verbessern und Vorhersagen für den erdnahen Weltraum zuverlässiger zu machen. Möglich wird dies durch eine spezielle Messtechnik an Bord des Satelliten.

Blick in die Atmosphäre – kompakt und präzise

Atmocube ist ein Satellit von der Größe eines kleinen Koffers. An Bord befinden sich zwei hochempfindliche Messinstrumente, die schwaches Licht von Sauerstoffmolekülen in der oberen Atmosphäre erfassen. Aus diesen Lichtsignalen lassen sich hochauflösende Temperaturprofile ableiten, anhand derer die Forschenden untersuchen, wie sich atmosphärische Schwerewellen in großen Höhen ausbreiten.

Dafür blickt der Satellit entgegen der Flugrichtung schräg durch die Atmosphäre und erfasst Lichtsignale aus vielen Höhenbereichen gleichzeitig. Die Daten zeigen, wie viel Energie und Impuls die Wellen transportieren und wie stark sie die obere Atmosphäre beeinflussen.

„Die Auswahl durch die NASA ist ein großer Schritt für unser Team und unsere Partner. Atmocube zeigt, wie wichtig ein besseres Verständnis der oberen Atmosphäre für unsere Gesellschaft ist – etwa für den zuverlässigen Betrieb von Satelliten, Navigation und Kommunikation,“ sagt Dr. Martin Kaufmann, Wissenschaftler am Institute of Climate and Energy Systems. „Zugleich liefert die Mission wichtige Daten, um langfristige Veränderungen der Atmosphäre im Zuge des Klimawandels besser einordnen zu können.“

nternationale Mission soll 2029 starten

Atmocube steht beispielhaft für das Zusammenspiel von Wissenschaft und Technologie am Forschungszentrum Jülich: Wissenschaftler und Ingenieur des Institute of Climate and Energy Systems – Stratosphäre (ICE-4) und des Institute of Technology and Engineering (ITE) bringen ihre jeweiligen Expertisen in die wissenschaftlichen Anforderungen und Messkonzepte ein und realisieren gemeinsam die Entwicklung, den Aufbau und die Qualifikation der dafür erforderlichen Hardware.

Das Forschungszentrum Jülich arbeitet in Atmocube eng mit der University of Colorado Boulder (Laboratory for Atmospheric and Space Physics, LASP) sowie der Bergischen Universität Wuppertal zusammen. Die Instrumentenentwicklung und -charakterisierung erfolgt überwiegend in Deutschland, die Integration des Satelliten sowie die Missionsumsetzung werden vor allem am LASP in Boulder koordiniert und durchgeführt.

Mit der Auswahl beginnt für Atmocube eine sechsmonatige Konzept- und Planungsphase. In dieser Zeit werden Missionsdetails und Anforderungen weiter konkretisiert und Rückmeldungen aus der Begutachtung eingearbeitet. Den Abschluss bildet das System Requirements Review, auf dessen Basis die NASA die nächste Finanzierungs- und Umsetzungsphase freigibt. Der Start der Mission ist derzeit für 2029 geplant.

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