SolACES – Ein selbstkalibrierendes EUV/UV-Spektrophotometer auf der Internationalen Raumstation ISS

SolACES auf dem europäischen Columbus-Modul der Internationalen Raumstation ISS

Start: 07. Februar 2008 (mit dem Columbus-Modul)

Die EUV/UV-Strahlung der Sonne und ihr Einfluß auf die Erde

Die Strahlung der Sonne im Bereich der weichen Röntgenstrahlung (XUV, 1 bis 30 Nanometer Wellenlänge), des extremen Ultraviolett (EUV, 30 bis 120 Nanometer) und des Ultraviolett (UV, 120 bis 400 Nanometer) stellt die Hauptenergiequelle für das System der Thermosphäre und Ionosphäre (T/I-System) der Erde dar.

Diese Schichten der Atmosphäre befinden sich in Höhen oberhalb von etwa 85 Kilometern über der Erdoberfläche und spielen eine wichtige Rolle bei der Wechselwirkung der Erde mit ihrer interplanetaren Umgebung, insbesondere der Sonne (solar-terrestrische Beziehungen). Die meisten Prozesse im T/I-System werden durch die solare EUV-Strahlung gesteuert, die sich auf kurzen bis langfristigen Zeitskalen stark ändern kann. Diese Zeitskalen werden vor allem durch die solaren Flares (Dauer Minuten bis Stunden), die Sonnenrotation (25 Tage) und den Sonnenzyklus (etwa elf Jahre) repräsentiert. Typische Variationen des spektralen EUV-Flusses der gesamten Sonne können dabei zwischen einigen 10% während der Flares und über den Rotationszyklus der Sonne, bis hin zu einigen 100% über den Sonnenzyklus betragen. In extremen Fällen einiger hochionisierter Spekrallinien im EUV, wie z.B. Fe XII (elffach ionisierte Eisenionen), kann der Fluß innerhalb einiger Jahre auch um mehr als das Zehnfache variieren.

Die wichtigsten wissenschaftlichen Fragestellungen auf dem Gebiet der solaren EUV/UV-Strahlung umfassen neben der Physik der Sonne und der Erforschung der solar-terrestrischen Beziehungen insbesondere die Modellierung des T/I-Systems der Erde sowie der durch die Strahlung der Sonne und den Sonnenwind in der Erdatmosphäre deponierten Energie. Die durch die variable Aktivität der Sonne ausgelösten, sich verändernden Phänomene im interplanetaren und erdnahen Raum (wie Sonnenwind und Magnetfelder) mit ihren Auswirkungen auf das irdische T/I-System werden auch als Weltraumwetter bezeichnet. Wichtige anwendungsbezogene Forschungsgebiete sind der Einfluß des Weltraumwetters auf die Bahnen von Satelliten und Weltraummüll ("drag analysis") sowie auf die Telekommunikation via Satellit, den Betrieb von Navigationssystemen wie das Global Positioning System (GPS) und Radarmessungen.

SOLAR in der Ladebucht der Raumfähre Atlantis

Messung des solaren EUV/UV-Flusses mit hoher Genauigkeit

Auf Grund von technischen Schwierigkeiten bei der Messung der solaren EUV-Strahlung ist diese für die Vorgänge in der Erdatmosphäre wichtige Energiequelle jedoch bisher nicht mit einer Genauigkeit bekannt, die dem heutigen Stand der Wissenschaft und ihrer Anwendungen angemessen wäre. Unsicherheiten bei der Messung der solaren EUV-Flüsse (in absoluten physikalischen Einheiten) lagen bisher zwischen 20 und mehr als 400 Prozent, mit entsprechenden Unsicherheiten der daraus abgeleiteten Modelle und Schlußfolgerungen.

Ziel von SolACES (Solar Auto-Calibrating EUV/UV Spectrophotometers) ist es, Messungen der spektralen EUV-Flüsse der Sonne mit einer relativen radiometrischen Genauigkeit von besser als zehn Prozent durchzuführen. Zu diesem Zweck wird erstmals ein Auto-Kalibrationsverfahren eingesetzt, das dafür sorgt, dass sich das Instrument während der Betriebsphase alle drei bis 15 Tage selbst neu kalibriert. Damit können die unvermeidlichen zeitlichen Änderungen der Transmission und des Wirkungsgrades des Instruments hinreichend korrigiert und EUV-Flüsse auf zwei bis drei Prozent genau bestimmt werden.

Das SolACES Spektrophotometer auf SOLAR

SolACES ist Bestandteil des wissenschaftlichen Instrumentenpakets SOLAR, das im Coarse Pointing Device (CPD) auf der Columbus External Payload Facility (CEPF) der International Space Station (ISS) untergebracht ist. Das CPD gleicht die unterschiedlichen Orientierungen der ISS aus und richtet SolACES zusammen mit den beiden anderen Nutzlasten von SOLAR, dem "Solar Variability and Irradiance Monitor" (SOVIM, Schweiz) und dem "Solar Spectrum Measurement" Instrument (SOLSPEC, Frankreich), auf die Sonne aus.

Dies ermöglicht synchrone und einander ergänzende Messungen aller drei Instrumente. Während SOVIM den Strahlungsstrom der Sonne integriert über das gesamte Spektrum bestimmt, führt SOLSPEC Messungen des spektralen Strahlungsstromes in dem sich langwellig an den Spektralbereich von SolACES anschließenden Teil des Sonnenspektrums bei Wellenlängen zwischen 180 Nanometern und drei Mikrometern durch. (Bedauerlicherweise fiel kurz nach dem Start von SOLAR das Teilinstrument SOVIM vollständig aus, während SolACES seinen langwelligen Kanal zwischen rund 140 und 220 Nanometern aufgeben musste.)

SolACES besteht aus zwei Doppel-Spektrophotometern mit insgesamt vier Beugungsgittern und Channel-Elektronenvervielfachern als Detektoren sowie zwei Ionisationskammern mit Photodioden, um die einfallende EUV/UV-Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 17 und 220 Nanometern nachzuweisen und während des Fluges die Auto-Kalibration durchzuführen. Die spektrale Auflösung liegt dabei, abhängig von der Wellenlänge, zwischen 0,5 und zwei Nanometern. Ein gemeinsames Filterrad für die Spektrophotometer und die Ionisationskammern, das 43 verschiedene Dünnfilm-Metall- sowie Kristallfilter mit Bandbreiten zwischen fünf und 55 Nanometern enthält, dient dazu, während der Auto-Kalibrationsprozedur die spektralen Bänder auszuwählen. Die Ionisationskammern sind mit Neon-, Xenon-, oder Stickoxid-Gas befüllt.

SOLAR auf der COLUMBUS-Plattform der Internationalen Raumstation

Spektrophotometrische Standardmessungen der Sonnenstrahlung während des normalen Missionsbetriebs werden mit Hilfe der Spektrophotometer ohne ein vorgeschaltetes Filter durchgeführt. Pro Orbit lassen sich auf diese Weise ein oder zwei EUV/UV-Spektren, integriert über die volle Sonnenscheibe, aufnehmen, das heißt, es können mehr als 15 Spektren pro Tag gewonnen werden.

Während der Auto-Kalibrationsprozedur wird zunächst die Transmission der Filter durch Spektrometermessungen mit und ohne Filter bestimmt. Die absoluten EUV/UV-Flüsse, integriert über jeden der Filterbandpässe, können dann aus Ionisationskammermessungen mit vorgeschalteten Filtern abgeleitet werden. Unter Berücksichtigung der aktuellen Filtertransmissionen können diese Messungen schließlich dazu benutzt werden, Kalibrationsfaktoren für die Standardmessungen zu bestimmen, mit deren Hilfe die Spektren absolut kalibriert werden.

Wissenschaftliche und anwendungsorientierte Ziele