Der neue Wetterdienst: Ozonvorhersage für eine Woche

18 November 2003

Envisat, Europas größter und komplexester Umweltsatellit der ESA, hat die gewaltigen Sonnenstürme in bester Verfassung überstanden. Seit 2002 liefert er einmalige Daten über die globale Erwärmung, Veränderungen der Ozonschicht und den Klimawandel auf der Erde. Auf der Basis seiner Daten bieten nunmehr belgische Wissenschaftler einen neuen Internet-Service an: die Ozonvorhersage für eine Woche

Envisat übersteht Sonnenstürme

Die Spezialisten am Europäischen Satellitenkontrollzentrum ESA/ESOC in Darmstadt können vorerst aufatmen. Das seit Wochen anhaltende stürmische Weltraumwetter, ausgelöst durch eine außergewöhnlich aktive Sonne, konnte Envisat, dem größten und aufwendigsten Forschungssatelliten der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA, nichts anhaben. Nennenswerte Schadensmeldungen verursachten selbst die beiden Rekord-Sonneneruptionen Ende Oktober/Anfang November nicht, bei denen Plasmawolken mit Geschwindigkeiten von bis zu 2000 Kilometern pro Sekunde (!) auf die Erde zurasten – „normal“ sind 400 Kilometer pro Sekunde. „Wir hatten lediglich zwei unerwartete Abschaltungen von Instrumenten an Bord von Envisat, die sich mit hoher Wahrscheinlichkeit auf die Sonnenstürme zurückführen lassen. Zum Glück entstand kein Schaden“ berichtet bei ESA/ESOC Andreas Rudolph, Spacecraft Operations Manager von Envisat, über die dramatischen Ereignisse der letzten Zeit.

Dass Envisat so glimpflich davon kam, ist vor allem seiner Umlaufbahn um die Erde zu verdanken, denn sie befindet sich unterhalb des so genannten Van-Allen-Gürtels, einem schalenförmigen Gebiet mit einer hohen Konzentration geladener Teilchen in der Erdmagnetosphäre. Dieser Gürtel lenkt die ebenfalls geladenen Partikel des Sonnensturmes weitestgehend ab. Er kann aber eine erhöhte Ionenstrahlung bewirken, die sich auf die empfindliche Bordelektronik niederschlägt.

Ein weiteres Phänomen: Die erhöhte Sonnenaktivität bläht die Erdatmosphäre gewaltig auf, so dass vor allem Satelliten auf niedrigen Umlaufbahnen einer erhöhten Dichte der Atmosphäre ausgesetzt sind. Diese bewirkt eine verstärkte Abbremsung der Raumflugkörper. Aufgrund der sonnensynchronen Bahn in rund 800 km Höhe unterlag Envisat aber nur kurzzeitig diesen Einflüssen, so dass eine zusätzliche Bahnkorrektur bislang nicht nötig war. Envisat befindet sich also in einer hervorragenden Verfassung und sendet weiter zuverlässig Umweltdaten vom Zustand des blauen Planeten und seiner Atmosphäre.

Ozon: Das lebensnotwendige Gift

Ozon ist ein sehr reaktionsfreudiges Spurengas. Wir treffen es von der Erdoberfläche bis in eine Höhe von etwa 110 km an. Am Boden stellt Ozon als Hauptbestandteil des Smogs ein Gesundheitsrisiko dar. In höheren Bereichen ist es dagegen lebensnotwendig.
Die maximale Ozondichte liegt in der Stratosphäre zwischen 12 bis 30 km. Das stratosphärische Ozon ermöglichte vor Milliarden Jahren die Bildung von Leben auf diesem Planeten. Es absorbiert auch heute bis zu 98 % der von der Sonne kommenden schädlichen Ultraviolettstrahlung, die beim Menschen nicht nur zum Sonnenbrand führen, sondern auch Schädigungen der Haut bis hin zum Hautkrebs auslösen kann. Wir könnten nicht überleben, gäbe es kein Ozon in der Stratosphäre.

Die Reaktionsfreudigkeit des Ozons führt jedoch auch zu chemischen Reaktionen mit anderen Spurengasen in der Stratosphäre, wobei ein Teil des Ozons zerstört wird. Die meisten Spurengase sind dabei menschlichen Ursprungs, beispielsweise Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW). Die Folgen sind bekannt: Es sind jahreszeitlich variierende Löcher in der Ozonschicht, die zu unabsehbaren Folgen für die Menschheit führen können.

MIPAS: Das Instrument, das wertvolle Ozondaten liefert

Letzte Arbeiten an MIPAS
Letzte Arbeiten an MIPAS

Der Erforschung und Überwachung der Gaskonzentrationen sowie der chemischen Reaktionen in der Stratosphäre kommt deshalb eine besondere Bedeutung zu. Eines der modernsten und komplexesten Forschungsinstrumente ist das Michelson Interferometer MIPAS auf dem ESA-Umweltsatelliten Envisat.
Das von der Astrium GmbH in Ottobrunn entwickelte und gebaute Messgerät liefert Tag und Nacht Daten über die Infrarot-Emission von bis zu 30 Spurengasen, aus denen die Wissenschaftler Rückschlüsse auf die chemischen Prozesse sowie den Transport in der Stratosphäre ziehen können. Gegenwärtig kann das ESA-Zentrum zur Auswertung der von Envisat gelieferten Messreihen allerdings nur für einen Teil der Spurengase die Daten an die Anwender ausliefern. Diese Daten müssen mittels mathematischer Algorithmen studiert und aufbereitet werden. Durch die Komplexität atmosphärischer Vorgänge kommt es zu einer erheblichen Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt der Messungen einerseits und dem Vorliegen aussagefähiger Informationen andererseits.

Ozonvorhersage für eine Woche

BASCOE kann für 10 Tage die globale Ozonkonzentration vorhersagen

Wissenschaftler des in Brüssel ansässigen belgischen Institute for Space Aeronomy (BIRA-IASB abgekürzt in flämisch und französisch) haben deshalb einen Service entwickelt, der im Internet den interessierten Fachleuten nicht nur kurzfristige Vorhersagen zur Ozonkonzentration, sondern auch von weiteren 56 Spurengasen sowie deren Einfluss auf die Ozonschicht bietet. Der neue Dienst heißt BASCOE - Belgian Assimilation System of Chemical Observations from Envisat. Er kann unter www.bascoe.oma.be abgerufen werden. Die interessierten Nutzer erhalten wöchentliche Vorhersagen der Ozondichte sowie Karten mit der Verteilung von Stickstoff- und Chlorverbindungen, die an der Zerstörung der Ozonschicht beteiligt sind.
Die Forscher am BIRA-IASB haben dafür eine sehr komplexe Software erarbeitet, die ungefähr 50 000 Zeilen Code enthält. Auf der Basis der MIPAS-Daten ermittelt das Computer-Modell, das die chemischen Prozesse in der Stratosphäre simuliert, die Konzentration und Verteilung weiterer Spurengase. Der große Fortschritt besteht in der Verfügbarkeit der Ergebnisse innerhalb eines Tages.

Ursprünglich diente das Computermodell lediglich dem besseren Verständnis der komplizierten Vorgänge in der Stratosphäre. Dominique Fonteyn vom BIRA-IASB berichtet: „Der gewaltige Arbeitsumfang führte aber dann zu Überlegungen über weitergehende Anwendungen. So verbesserten wir die Software, um die aktuellen Envisat-Daten interpretieren und sie operationell nutzen zu können. Unser Ziel war es, die Zeitspanne zwischen der Satellitenbeobachtung und der operationellen Datennutzung zu reduzieren, um damit einen Vorhersagedienst ähnlich der bekannten Wettervorhersage bekommen zu können. In das Modell fließen auch Informationen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersagen ein, da Stratosphärenwolken eine wichtige Rolle bei der Ozonzerstörung spielen.“

Klima-Aussichten

Die belgischen Wissenschaftler haben nun die Absicht, ihr Programm zu verbessern und die Daten weiterer Envisat-Instrumente einzubeziehen. Sie denken dabei an GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars) sowie an SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography). Mit beiden Instrumenten erhält man die genauesten Daten der Ozonverteilung und Dutzender weiterer klimawirksamer Spurengase vom Boden bis zu etwa 150 km Höhe. Zusammen ergeben die Messungen ein komplexes Bild der Chemie der Atmosphäre, die uns helfen, die Klima-Modelle immer weiter zu präzisieren.

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