Jenseits des Sichtbaren: Die dynamische Ionosphäre entschlüsseln

Das ist keine einfache Aufgabe, denn die Atmosphäre ist ein komplexes System – Strahlung, Chemie und Dynamik greifen ständig ineinander. Ich bin immer wieder aufs Neue fasziniert, wie diese Mechanismen zusammenwirken und unseren Alltag beeinflussen.

Planetare Wellen und Schwerewellen

Da sind zum Beispiel die sogenannten „planetaren Wellen“, die sich in den mittleren Breiten durch die Atmosphäre bewegen. Diese großräumigen und unseren Planeten umspannenden Wellen steuern Hoch- und Tiefdruckgebiete. In Wetterkarten sind sie oft als wellenförmige Luftströmungen erkennbar, deren Wellenlängen tausende Kilometer weit reichen. Sie formen damit unser Wetter, können Stürme, Kälte- und Hitzewellen verstärken oder abschwächen. Planetare Wellen breiten sich auch in die Höhe aus, sodass sie praktisch die gesamte Atmosphäre beeinflussen. Am Himmel kann man häufig einen weiteren prominenten Wellentyp beobachten, der sich auf viel kleineren Skalen in Raum und Zeit bewegt: Schwerewellen. Sie entstehen etwa, wenn Luft über Berge strömt. Die Schwerewellen sind dann oft im Lee der Berge als rippenförmige Wolkenstrukturen am Himmel zu erkennen.

Allen diesen Wellentypen ist gemeinsam, dass sie Energie transportieren, oft über große Strecken hinweg – bis sie irgendwann und irgendwo brechen, und ihre Energie wieder an die umgebende Atmosphäre abgeben. Wir wissen heute, dass der Fußabdruck, den solche Wellen beim Durchgang durch die Atmosphäre hinterlassen, bisweilen auch in der Ionosphäre vorhanden ist. Die Vermutung liegt also nahe, dass Wellen (als intrinsischer Effekt) vielleicht auch für signifikante Störungen in der Ionosphäre verantwortlich sind. Das von der ESA finanzierte Projekt QUID-REGIS ist darauf ausgerichtet, hier einen Beitrag zur Erweiterung des wissenschaftlichen Verständnisses zu leisten. Die Arbeiten soll ermöglichen natürliche Schwankungen in der Erdatmosphäre besser einzuordnen, atmosphärische Kopplungsmechanismen systematisch zu untersuchen und damit die Ionosphäre – ein wichtiges Schutzschild unserer Erde – noch besser zu verstehen.

Komplexe Prozesse leicht verständlich darstellen

Seit etwa eineinhalb Jahren bin ich im Earth Observation Center (EOC) des DLR in der Abteilung Atmosphäre als studentische Hilfskraft bei unterschiedlichen Projekten dabei. Währenddessen habe ich für mich herausgefunden, dass ich von der Wissenschaft unglaublich fasziniert bin. Ich möchte die Erkenntnisse aus der Forschung so aufbereiten, dass es ein breiteres Publikum begeistert und dieses verständlich informiert wird. Aktuell unterstütze ich das QUID-REGIS-Team dabei, die oben skizzierte Forschungsfrage der Öffentlichkeit näher zu bringen. In dem Projekt erforschen wir, welche Einflüsse die atmosphärische Wellendynamik auf die Variabilität der Ionosphäre hat.

Doch wie kann man sich das vorstellen? Die Prozesse und Größenordnungen, die hier eine Rolle spielen, sind oft nicht immer intuitiv verständlich. Viele Menschen haben deswegen keine konkrete Vorstellung davon. Welche Prozesse sind maßgeblich beteiligt? Und welche Messungen sind zu deren Entschlüsselung notwendig? Um dieses komplexe Thema greifbarer zu machen, habe ich eine Animation entwickelt, die die Projektidee von QUID-REGIS veranschaulicht. Dargestellt sind die damit zusammenhängenden grundlegenden physikalischen Mechanismen der Atmosphärenprozesse sowie deren verschiedene Messmethoden. Diese Visualisierung soll helfen, auch interessierten Laien einen besseren Zugang zu den unsichtbar scheinenden Kräften zu bieten, die die obere Atmosphäre der Erde beeinflussen.

Um den Einfluss der Sonne (also extrinsische Einflüsse) auf die Ionosphäre so gut es geht auszuschließen, konzentriert sich das Projektteam auf Zeiträume geringer Sonnenaktivität, sprich Zeiten mit „ruhigem Weltraumwetter“. Diese Zeiträume bieten die Gelegenheit, die Reaktion der Ionosphäre auf die inner-atmosphärische Dynamik untersuchen, ohne dass diese vom äußeren solaren Einfluss maskiert werden. Verschiedene Sensoren und Messverfahren kommen zum Einsatz, um die Ionosphäre und den Bereich der Atmosphäre unmittelbar darunter zu erfassen und zu analysieren. Insgesamt betrifft dies den Höhenbereich von etwa 80 bis 300 Kilometer:

Messungen im Weltraum und vom Erdboden aus

Die ESA-Satellitenmission Swarm, die sich der Beobachtung des Erdmagnetfelds und seiner zeitlichen Veränderung widmet, liefert hochauflösende Messdaten der Atmosphäre zu Magnetfeld, Strömungen und Wechselwirkungen zwischen geladenen und neutralen Teilchen. Ergänzt werden diese durch bodengebundene Messungen. Dazu gehören insbesondere Airglow- und Doppler-Messungen, die Aufschlüsse auf die Atmosphärendynamik in diesem Höhenbereich erlauben.

Die Airglow-Messungen konzentrieren sich auf Emissionen von photochemisch angeregten Hydroxyl-(OH) Molekülen und Sauerstoffatomen: Wichtige Merkmale sind die durch spezielle Airglow Kameras gut sichtbar gemachte Infrarot-Emission in 80 bis 90 Kilometer, die grün schimmernde Sauerstoff-Emission in 90 bis 100 Kilometer und die rot erscheinende Sauerstoff-Emission in 200 bis 300 Kilometer Höhe. Zusammen bieten diese Emissionen wichtige Einblicke in die Chemie der oberen Atmosphäre und ihre Verbindung zu Schwankungen in der Ionosphäre. Aus den gesammelten Messungen lassen sich Rückschlüsse auf die Verbindung zwischen der Ionosphäre und tieferen Atmosphärenschichten ziehen.