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



 SolACES auf dem europäischen Columbus-Modul der Internationalen Raumstation ISS
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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
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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
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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

SolACES wird neue und wesentliche Beiträge zu verschiedenen Gebieten der Weltraumwissenschaften und ihrer Anwendungen liefern. Dies sind insbesondere:

  • die (quasi-) kontinuierliche Überwachung der solaren EUV/UV-Strahlung und die radiometrisch exakte Bestimmung des solaren EUV/UV-Strahlungsstromes im Wellenlängenbereich zwischen 17 und 220 (bzw. jetzt noch 140) Nanometern
  • die Modellierung des spektralen/integralen EUV/UV-Strahlungsstromes der Sonne
  • die Modellierung der irdischen Thermosphäre und Ionosphäre (T/I)
  • die Bestimmung von solaren EUV/UV-Indizes
  • die semi-empirische Modellierung der aktiven Regionen der Sonne und die Spektroskopie der Wasserstoffemissionen dieser Regionen
  • die Erforschung der solar-terrestrischen Beziehungen

Wissenschaftliche Kooperation

Das wissenschaftliche Team von SolACES wird durch einen Principal Investigator (PI) aus dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg geleitet, der für die Entwicklungsarbeiten und den Betrieb des Experiments verantwortlich ist.
Die Mitglieder des Teams kommen aus den folgenden Institutionen und Firmen:

  • Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik, Freiburg/Breisgau
  • Institut für Meteorologie der Universität Leipzig
  • Astrophysikalisches Institut Potsdam (AIP)
  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt/Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum (DFD), Neustrelitz
  • Space Environment Technologies, Los Angeles, Kalifornien (USA)
  • Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP), Boulder, Colorad (USA)
  • Space Science Center (SSC) der University of Southern California, Los Angeles, Kalifornien (USA)
  • Service d'aeronomie, Verrières-le-Buisson (Frankreich, SOLSPEC)
  • Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos/World Radiation Center (PMOD/WRC), Davos (Schweiz/SOVIM).

Um eine Kooperation mit den wichtigsten Gruppen aufzubauen, die auf den oben genannten Gebieten arbeiten, hat der PI von SolACES in Koordination mit den internationalen Organisationen SCOSTEP (Scientific Committee On Solar-TErrestrial Physics) und COSPAR (Committee on Space Research) das internationale TIGER Programm (Thermospheric-Ionospheric GEospheric Research) ins Leben gerufen.

Erste Ergebnisse: EUV-Spektren

Beim Beginn der regulären Messungen von SOLAR und SolACES im Herbst 2008 befand sich die Sonne kurz vor dem Minimum ihres elfjährigen Aktivitätszyklus. Dieses Minimum fiel ungewöhnlich lang und tief aus, mit längeren Perioden ohne einen einzigen Sonnenflecken.

Anhand der Variationen - insbesondere der XUV- und EUV-Strahlung bei Wellenlängen unterhalb von etwa 45 Nanometern und anhand von Spektrallinien von hochionisierten Eisenatomen in der Sonnenatmosphäre (der Korona) - konnte das wissenschaftliche Team von SolACES den Zeitpunkt des Aktivitätsminimums recht genau auf den August und September 2009 eingrenzen (ionisierte Atome haben ein oder mehrere ihrer äußeren Elektronen verloren und erscheinen daher elektrisch geladen).

Darüber hinaus sind bereits weitere Publikationen, etwa zur Korrelation der solaren EUV-Strahlung mit der Variabilität der Photoionisation der irdischen Ionosphäre erschienen. Weitere, regelmäßige Beobachtungen des Sonne durch SolACES sind zumindest noch bis Ende 2016 vorgesehen. Damit werden die Messungen den Anstieg der Aktivität vom Minimum des Sonnenzyklus bis zu dessen für 2013/2014 erwartetem Maximum und darüber hinaus durchgehend begleiten und weitere wichtige Erkenntnisse über unsere Sonne und deren Einfluß auf die Erdatmosphäre und das Klima gewinnen.


Missionsdaten und technische Parameter

Start: 07. Februar 2008 (zusammen mit SOLAR)
Ort: Kennedy Space Center, Cape Canaveral, Florida (USA)
Trägerfahrzeug: Space Shuttle, Mission STS-122
Plattform: ISS/Columbus (SOLAR)
Orbit: ca. 400 km Höhe (ISS)
Missionsdauer: bis Ende 2016
Masse (SolACES allein): 23 kg
Abmessungen: 25 cm x 29 cm x 60 cm
Elektrische Leistungsaufnahme: < 25 W (typisch), 60 W (maximal)
Datenrate: ca. 1 kbit/s


Kontakt
Dr. Hans-Georg Grothues
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Raumfahrtmanagement
, Extraterrestrik
Tel: +49 228 447-348

Fax: +49 228 447-745

E-Mail: HG.Grothues@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-2448/3635_read-5422/
Links zu diesem Artikel
http://www.ipm.fraunhofer.de/de/Loesungen_Maerkte/Umwelt_Gesundheit/weltraum/EUV_Spektrometer.html
http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=space/sovim/index
http://www.aerov.jussieu.fr/projet/SOLSPEC/SOLSPEC_GB/Home.html
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/main/index.html
http://www.esa.int/esaHS/iss.html
Downloads zu diesem Artikel
SolACES Datenblatt (http://www.dlr.de/rd/Portaldata/28/Resources/dokumente/rx/SolACES_D_13_09.pdf)
SolACES Fact Sheet (http://www.dlr.de/rd/Portaldata/28/Resources/dokumente/rx/SolACES_E_13_09.pdf)