SMILES, der Superconducting Submillimeter-Wave Limb-Emission Sounder
SMILES (Superconducting Submillimeter-Wave Limb-Emission Sounder), ein supraleitender Submillimeterwellen-Signalgeber, war das erste hochauflösende Supraleitersystem mit mechanischer Kühlung an einer Außenplattform der ISS und diente zur Messung atmosphärischer Spurengase in der Stratosphäre und der Mesosphäre. Sechs Monate lang sammelte SMILES hochwertige Beobachtungsdaten. Dann fiel das Instrument aus. Die Analyse der Daten ist jedoch noch immer in Arbeit und belegt die überragende Leistungsfähigkeit von SMILES. Man erwartet von den Daten eine Fülle neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse.
Das wissenschaftliche Hauptziel der SMILES-Mission war die Untersuchung der Ozonschicht in der Stratosphäre, ihrer Stabilität und Regeneration. Einige atmosphärische Rechenmodelle lassen darauf schließen, dass sich die Ozonschicht bis Mitte des 21. Jh. weltweit regenerieren und wieder den Zustand der Zeit vor 1980 erreichen wird. Aber die Berechnungen zur Entwicklung der Ozonschicht sind mit erheblichen Unsicherheiten behaftet, insbesondere im Hinblick auf das Brombudget und die chemischen Prozesse unter Beteiligung von anorganischem Chlor. Dazu kommt, dass die Abkühlung der Stratosphäre – ausgelöst durch die Zunahme an Treibhausgasen in der Troposphäre – der Erholung und Stabilität der Ozonschicht entgegenwirken könnte. Die SMILES-Mission sollte durch die detaillierte Untersuchung der Halogenchemie im Zusammenhang mit den Abbauprozessen der Ozonschicht zu einer Klärung dieser Fragen beitragen.
SMILES trat seine Reise zur Internationalen Raumstation am 11. September 2009 mit dem Raumtransporter Kounotori 1 an Bord der Trägerrakete H-IIB vom Tanegashima Space Center in Japan aus an. Am 25. September wurde SMILES an der Außenplattform des japanischen Labormoduls Kibo installiert und durchlief eine Reihe kritischer Bordtests. Am 12. Oktober nahm SMILES seine Mission, die kontinuierliche Beobachtung der Erdatmosphäre, offiziell auf und blieb danach etwa sechs Monate lang in Betrieb, bis am 21. April 2010 ein Bauteil des Instruments ausfiel.
SMILES erfasste die schwache Strahlung atmosphärischer Spurengase im Submillimeterbereich, also bei Wellenlängen von 0,46 bis 0,48 mm (entspricht einer Frequenz von 624–650 Gigahertz). Berechnet man die Stärke der Spektrallinien verschiedener Molekularspezies, lässt sich daraus auf die Häufigkeit dieser Spezies schließen.
Eine Momentaufnahme der weltweiten Verbreitung atmosphärischer Spurengase, generiert aus SMILES-Beobachtungsdaten, zeigt den Rückgang der Ozonschicht und die damit zusammenhängenden Veränderungen in der Konzentration von Chlorverbindungen um den Nordpol. Im Winter 2010 verstärkten sich die planetaren Wellen in der Stratosphäre und führten zu einer plötzlichen stratosphärischen Erwärmung in den hohen Breiten. Der Temperaturanstieg betrug 40 °C innerhalb nur weniger Tage. In dieser Zeit lief ein heterogener chemischer Prozess ab, der die Konzentration an Chlorwasserstoffgas (HCL) im Polarwirbel zurückgehen ließ. Gleichzeitig kam es durch die Sonneneinstrahlung außerhalb der Polarnachtregion zu verstärkten chemischen Reaktionen des Chlors, was in der betroffenen Region zu einem Anstieg des Chlormonoxids (ClO) führte. Infolgedessen kam es dort zu einer Schädigung der Ozonschicht. SMILES konnte solche Phänomene mit hoher Auflösung in mehreren Regionen gleichzeitig erfassen.
In den Helligkeitstemperaturspektren, generiert aus SMILES-Beobachtungsdaten, erkennt man stark ausgeprägte Spektrallinien für Ozon und Chlorwasserstoff sowie weitere kleinere Peaks für Hypochlorsäure (HOCl), Salpetersäure (HNO3), Bromoxid (BrO) und Ozonisotopen. Das Rauschen der Helligkeitstemperaturen liegt bei etwa 0,4 Kelvin und damit um mindestens eine Dezimalstelle niedriger als bei anderen, vergleichbaren Instrumenten im Weltraum.
In der Anfangsphase der Arbeiten an SMILES wurden die Spektrometerparameter festgelegt, und zwar auf der Basis spektroskopischer Werte in der damals aktuellen Literatur. Die außerordentlich hohe spektroskopische Leistung von SMILES führte zu einer Neubewertung der bekannten atmosphärischen Daten in der Wissenschaft und regte die Entwicklung weiterer atmosphärischer Studien zum Test neuer Parameter an.
SMILES wurde erfolgreich gestartet und generierte atmosphärische Beobachtungsdaten in hoher spektraler Auflösung. Leider fiel das Instrument schon nach sechs Monaten aus, aber die gewonnenen Beobachtungsdaten unterstreichen seine außerordentliche Leistungsfähigkeit. Die vorläufigen wissenschaftlichen Ergebnisse erscheinen überzeugend und stimmen mit den Ergebnissen anderer Messungen im Weltraum überein. Man erwartet, in den Daten, die SMILES in seinem sechsmonatigen Beobachtungszeitraum sammeln konnte, noch weitere, bislang unerkannte Informationen zu finden. Um die Leistung von SMILES in vollem Umfang würdigen zu können, müssen die gewonnenen Daten in künftigen Studien noch weiter bearbeitet und analysiert werden.
Takuki Sano, International Space Station Science Project Office
Institute of Space and Astronautical Science, JAXA
