Mit SOFIA unterwegs im Kosmos, Teil 9: Zurück zur Erde

 Selbst wenn man aus einer Höhe von 14 km beobachtet, ist doch noch störende Strahlung der Erdatmosphäre dabei. Normalerweise wird die auf Grund der besonderen Temperaturen und Bewegungen erkannt und aus den Beobachtungsdaten herausgefiltert.

Aber man kann auch aus diesem "Abfall" etwas Produktives gewinnen, nämlich Daten für die Klimamodelle, mit denen wir den Klimawandel untersuchen.

Die Mesosphäre ist eine Atmosphärenschicht, die zwischen 50 km und 85 km Höhe liegt. Am oberen Ende hat unsere Atmosphäre ihr Temperaturminimum von etwa -110°C.

Etwa in 80 km Höhe beginnt die Thermosphäre, hier steigt die Temperatur wieder deutlich.

Wichtig für den Kühlungseffekt in der Mesosphäre ist der atomare Sauerstoff dort. Die Klimamodelle zeigen, dass im unteren Bereich der Atmosphäre durch den Klimawandel die Temperaturen steigen werden, aber in der Mesosphäre werden sie sinken.

Für die Klimamodelle ist es sehr wichtig, die Konzentration und Bewegung des Sauerstoffs in der Mesosphäre zu kennen. Ein Feinstrukturübergang der Atome liefert Strahlung bei einer Wellenlänge von 0,063 mm. Das entspricht einer Frequenz von 4,7 THz.

Die Breite der Spektrallinie ist durch den Doppeleffekt, also die Bewegung bestimmt. Die Stärke der Linie wird durch die Menge des atomaren Sauerstoffs festgelegt.

So können "Abfallbeobachtungen", die aber inzwischen auch gezielt gemacht werden, zu einer Verbesserung unseres Verständnisses zum Klimawandel beitragen.

Bild 1 (wetter.de) Aufbau der Erdatmosphäre

Bild 2: (DSI/NASA/DLR) Das grüne Leuchten der Mesosphäre entsteht durch einen Sauerstoffübergang bei 557,7 nm. Das Bild ist von der ISS aus aufgenommen.

Ebenso ist der 4,7 THz-Übergang eingezeichnet, mit dem von SOFIA aus die Bewegung und Konzentration des atomaren Sauerstoffs vermessen wird.

Die Strahlenbelastung geht zurück

 Im Sonnenfleckenminimum ist das Sonnenmagnetfeld am schwächsten und deswegen können kosmische Strahlen nahezu ungehindert zur Erde vordringen. Dort dienen sie ev. nicht nur als Keime für Wolken, sondern erzeugen auch sekundäre Strahlungen, die man am Erdboden und in der Atmosphäre messen kann.

Eine Gruppe von Oberstufenschüler/innen aus Kalifornien startet seit Jahren regelmäßig Stratosphärenballons und misst regelmäßig die Stärke der kosmischen Strahlung in der Stratosphäre.

Sie nennen sich "Earth to Sky Calculus" und sind über facebook gut zu finden.

Ihre aktuelle Messkurve zeigt deutlich den Anstieg bis zum Minimum und den nun erfolgter leichten Rückgang der kosmischen Strahlung, da uns das sich stärkende Sonnenmagnetfeld wieder besser schützt.

Ein Risiko weniger bei Langstreckenflügen....

 

Jupiter wird langsamer

 Bevor das schlechte Wetter kommt, noch einen Blick auf Jupiter und Saturn. Beide Planeten beenden ihre Oppositionsschleife in den nächsten Tagen und kehren um. Bei Jupiter aber erkennt man noch eine leichte Westbewegung.

Bild 1: Übersicht über die Umgebung beider Planeten, Sonntag, 20.42 Uhr

Bild 2: Jupiter mit seinen hellen Monden unter den Vergleichssternen, Sonntag, 20.45 Uhr, 600 mm Tele

 

Horrorszenario?

 Ja...mit Corona haben wir genug zu tun...und das wird so schnell nicht nachlassen

Aber ein anderes Problem ist seit über 100 Jahren bekannt und wir schaffen es nicht, es zu bewältigen...

Ich meine das Klimaproblem.

Unsere Erdatmosphäre heizt durch die menschlichen Einwirkungen die Erde immer mehr auf...Gletscher schmelzen, Wüsten wachsen, der Meeresspiegel steigt:

In diesem Jahr hat sich der mittlere Anstieg des Meeresspiegels gegenüber des 20. Jahrhunderts verdoppelt. Schon jetzt sind 270 Millionen Menschen in ihrer Existenz betroffen, 2100 werden es 410 Millionen Menschen sein.

Kurs über Treibhauseffekt

https://physikkursq3lichtundquanten.blogspot.com/2020/10/der-treibhauseffekt-5.html

Das Kapitel startet mit Post 41 und geht bis Post 47.

Hier kann man die physikalischen Grundlagen des Treibhauseffektes lernen.

Schon vor fast 40 Jahren habe ich dieses Thema in all meinen Unterrichten thematisiert.

Wer darüber etwas nachlesen möchte sollte in meinen Blog "Erinnerungen" auf meiner Homepage www.natur-science-schule.info gehen:

Erinnerungen

https://www.natur-science-schule.info/post/mein-erster-astro-kurs-und-düstere-zukunftsprognosen

Hier ist auch ein Zeitungsbericht zu unserer damaligen Filmaktion zu sehen.

Nun die neuesten Veröffentlichungen der NASA zur Erhöhung des Meeresspiegels:

OFC pictures

Die nahe und ferne Zukunft der europäischen Raumfahrt, Teil 2:

 Ozeanwelten im Planetensystem

Bei früheren Missionen wurden Anzeichen für riesige warme Ozeane unter den Eiskrusten einiger Jupiter- und Saturnmonde gefunden.

Schon 2022 soll eine Mission zu den Eismonden des Jupiters gehen und dort nähere Untersuchungen durchführen.

Aber auch  für die Zeit nach 2035 sind schon weitere Missionen in den Blick genommen worden: Raumsonden zu den Monden Jupiters oder Saturns, die Ozeane im Inneren haben.

Warum ist das so interessant?

Das Eis wird durch Wärme und flüssiges Gestein aus dem Mondinneren zu einem Ozean aufgetaut. Ursache sind Gezeitenreibungen durch die großen Planeten. Am Boden könnten sich Black Smokers bilden, so wie wir es auch vom irdischen Meeresgrund kennen. Hier haben sich ohne Licht und Sauerstoff eigene Lebensformen gebildet.

Ist das auch auf den fernen Monden passiert?

Das wären wichtige Hinweise auf der weiteren Suche nach Leben im Kosmos.

Die neuen Missionen sollen auch untersuchen, ob man über Oberflächenstrukturen auf diese inneren Ozeane schließen kann. Dann ist es leichter solche Rückschlüsse auf ferne Exoplaneten anzuwenden.

Geplant ist auch das Absetzen eines Landers oder einer Drohne, denn Titan, der größte Saturnmond, hat nicht nur einen unterirdischen Salzozean, sondern auch Seen aus Kohlenwasserstoffen und eine dichte Atmosphäre, in der eine Drohne fliegen könnte.

Breaking News: Polare Winde auf Jupiter

 Embargo bis 14.00 Uhr

Heute wird in der Zeitschrift Astronomy&Astrophysics eine Arbeit über die Beobachtung von Jetströmungen in den Polarregionen von  Jupiter veröffentlicht.

Als 1994 der Komet Levy-Shoemaker in den Jupiter stürzte, konnte man sehen wie seine Gase herumgewirbelt werden.

Das von ihm freigesetzte HCN (Cyanwasserstoff) ist immer noch vorhanden und konnte jetzt mit dem ALMA - Mikrowellen-Interferometer in 5100 m Höhe in Chile beobachtet werden.

Die Messungen sind so präzise, dass man anhand des Dopplereffektes unter der Polarlichtregion in einer Höhe von 900 km Jetströmungen mit Geschwindigkeiten von 1450 km/h messen konnte. 

Jupiters Wolken sind ja durch die schnelle Rotation weit auseinander gezogen, die Strömungen am Jupiteräquator sind aber unter 600 km/h, also deutlich langsamer.

credit: ESO/NASA/Calcdaa

Bild 1: Einsturz des Kometen

Bild 2: künstlerische Darstellung des polaren Jets

 

Exoplaneten: Spektrum einer Atmosphäre

 Zum ersten Mal ist es gelungen, im Spektrum einer Exoplanetenatmosphäre Strukturen nachzuweisen, die auf die Existenz einer sekundären Atmosphäre hindeuten.

Solche Atmosphären erwartet man wenn Ausgasungen durch Vulökanismus die Atmosphäre anreichern oder gar ersetzen.

Im Exoplaneten GJ132b konnte das HubbleSpaceTeleskop HST nun Strukturen von Methan, Wasserstoff-Cyanid und Aerosolen nachweisen.

Das Bild zeigt das Spektrum mit einer künstlerischen Darstellung des fast neptungroßen Planeten unterlegt (NASA, ESA, Jeffries)

Warum die Sonne am Rand dunkler ist...

 Ich spreche von der sog. Mitte-Rand-Variation oder Randverdunklung der Sonnenscheibe.

Beim Sonnenuntergang mit freiem Auge, ansonssten aber von Bildern her, kennt man den Anblick der Sonnenscheibe so, dass sie im Zentrum besonders hell ist.

Sonne mit Randverdunklung am 1.2., SDO

 

Woran liegt das?

Von Innen her, bis an den Rand der etwa 400 km dicken Photosphäre, nimmt die Temperatur der Sonne ab.

Über der Photosphäre steigt sie wieder an, aber da die Gase der Chromosphäre und Korona extrem dünn sind, nehmen wir dieses helle Leuchten nicht wahr.

Das Licht vom Sonnenrand kommt aus höheren, damit kühleren Schichten (etwa 4500 K) der Photosphäre zu uns. Deswegen erscheint uns der Sonnenrand dunkler.

In der Mitte der Sonnenscheibe blicken wir in tiefere, heißere Schichten (etwa 6000 K). Dort wird mehr Energie abgegeben.

Das Stefan-Boltzmannsche Gesetz sagt, dass die Energieabgabe mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur (in Kelvin) anwächst. Also schon geringfügige Temperaturänderungen führen zu deutlichen Helligkeitsänderungen (in usnerem Beispiel zu einem Faktor 4).

Aber woran liegt das denn nun?

In einem Gas kommt Licht nicht weit...sehr schnell wird es von Gasatomen absorbiert und sofort danach erneut in jede beliebige Richtung ausgesandt.

Wenn die Absorptionswahrscheinlichkieit der oberen Schicht etwa 37% beträgt (das ist 1/e), spricht man von der optischen Tiefe 1 und geht davon aus, dass dieses Licht in der Regel aus dem Gas herauskommt.

Also: Das Sonnenlicht kommt aus einer Tiefe der optischen Dicke 1! Das entspricht immer einer gleichlangen Strecke entlang des Sehstrahles...also am Sonnenrand in Richtung zur Erde, fast tangential zur Sonnenkugel. In der Scheibenmitte ist das der direkte Weg nach außen.

aus Gondolatsch, Groschopf, Zimmermann, Astronomie I, klett

 Somit wird die optische Tiefe 1 am Sonnenrand weiter oben erreicht (weil wir schräg hineinsehen müssen) als im Scheibenzentrum (da sehen wir senkrecht hinein).

Mit Hilfe von Modellrechnungen kann man aus dem Verlauf der Randverdunklung die Temperaturschichtung der Photosphäre berechnen. 

Interessant ist, dass die Randverdunklung für blaues Licht deutlich stärker als für rotes Licht ist. Sollte man mal mit Farbfiltern ausprobieren...

 

Übrigens: Die Korona zeigt eine Randaufhellung. Das Gas ist so dünn, dass wir es beim direkten Aufblick kaum wahrnehmen. Aber am Sonnenrand entlang gesehen, erreicht viel Licht der Korona unsere Teleskope, der innere Teil der Korona erscheint aufgehellt.

Randaufhellung der Korona vom 1.2., SDO, 17,1 nm

Silvesterfeier mit Roger Penrose, Brian Greene und Leonard Susskind

 

Brian Greene, Physiker und Bestsellerautor (Bis zum Ende der Zeit, Das elegante Universum, Die verborgene Wirklichkeit) im Gespräch mit Nobelpreisträger 2020 Roger Penrose  über Schwarze Löcher, Allgemeine Relativitätsthorie und Quantenmechanik:

https://youtu.be/7oCQuvhQY6o

Im zweiten Gespräch unterhält sich Briane Greene mit dem Miterfinder der Stringtheorie Leonard Susskind über Quantenverschränkung, Wurmlöcher und das holographische Prinzip.

 

https://youtu.be/xk48z8N-sl0

Leuchtende Nachtwolken bleiben aus...

 Was sind leuchtende Nachtwolken?

Wenn im jeweiligen Sommer der Halbkugeln Wasserdampf von den vereisten Polargebieten aufsteigt. dann kann das Wasser an Meteoritenstaub in etwa 80 km Höhe kristallisieren.

Diese winzigen Eisteilchen reflektieren dann das Sonnenlicht und sind weit über die Polargebiete hinaus im Norden nach Sonnenutnergang zu sehen.

Am Südpol hat jetzt der Sommer begonnen...aber die leuchtendne Nachtwolken bleiben weitestgehend aus.

2007 hat die NASA den Satelliten AIM  (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) gestartet, der die Entstehung leuchtender <nachtwolken dkumentieren sollte, mit Blick von oben!

Obwohl nur auf 2 Jahre ausgelegt, arbeitet AIM immer noch.

Das Bild zeigt einen Vergleich der leuchtenden nachtwolken über dem Südpol jeweils am 24.12. 2019 und 2020.

Die Animation zeigt die Entwicklung in den Wochen vorher.

Der erwartete Anstieg blieb aus.

Was könnte passiert sein?

Normalerweise bricht der stratosphärische Polarwirbel im Dezember über der Antarktis zusammen. Dieses Jahr ist er noch stabil. Das scheint auch mit dem vergrößerten Ozionloch in der Stratosphäre über dem Südpol in Verbindung zu stehen.

So lange der Wirbel da ist, wird der Transport von Wasserdampf in die Mesosphäre unterbunden und die Eiskristalle können sich nicht bilden.

In Kassel kann man leuchtende Nachtwolken über der Arktis ab etwa Mai bis August sehen.

BNilder:

Vergleich 2019/2020 Südpol

Animation Entwicklung Dezember 2020

Bilder: NASA; AIM

Leuchtende Nachtwolken über dem Rammelsberg in Kassel