Ein Bild des Nordlichts über Bloomington, Indiana.(Bildnachweis: kosmischeweiten.de/Josh Dinner)
Japanische Wissenschaftler haben den ersten Langzeitdatensatz über die gesamte Erdatmosphäre erstellt, der bis in den Weltraum reicht.
Sie hoffen, dass das Projekt dazu beitragen wird, Licht in einige wenig erforschte Prozesse zu bringen, die sich im Inneren der gasförmigen Hülle unseres Planeten abspielen, darunter auch das prächtige Nordlicht.
Einige Teile der Erdatmosphäre werden kontinuierlich in unglaublichen Details untersucht. So liefern beispielsweise Millionen von Wetterstationen auf der ganzen Welt, Hunderte von Wetterballons und unzählige Flugzeuge täglich Messungen der gesamten Troposphäre, der untersten Region der Atmosphäre. Die Ballons erreichen auch den unteren Teil der Stratosphäre, die Schicht oberhalb der Troposphäre. Die Datenmenge, die durch diese Messungen erzeugt wird, ist so groß, dass sie moderne Wettermodelle nahezu unfehlbar macht.
Blickt man jedoch ein wenig höher, so sieht die Sache ganz anders aus. Die Mesosphäre, die dünne Luftschicht oberhalb der Stratosphäre, die fast bis an den Rand des Weltraums reicht, ist weitgehend unbekannt. Über die Vorgänge in der Mesosphäre ist so wenig bekannt, dass diese Region manchmal als „Ignosphäre“ bezeichnet wird. Diese Wissenslücke ergibt sich aus der Unerreichbarkeit der Ignosphäre – sie ist zu hoch für Stratosphärenballons und im Allgemeinen zu niedrig für Instrumente auf Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn, um sie zu erkunden.
Ein Forscherteam der Universität Tokio versuchte, das Problem mit Hilfe von Computermodellen zu lösen. Sie nahmen die wenigen verfügbaren Messungen meteorologischer Parameter in der Ignosphäre – die von Höhenforschungsraketen und erdgebundenen Radar- und Lidar-Instrumenten gewonnen wurden – und speisten sie in ein neues Datenassimilationssystem ein, das sie zuvor entwickelt hatten. Datenassimilation ist eine Technik, bei der Modelle mit direkten Beobachtungen kombiniert werden, um die Entwicklung eines Systems vorherzusagen. Das System wurde dann angewiesen, zu rekonstruieren, was in der Mesosphäre vor sich gehen könnte, um die Lücken zu füllen.
Die japanischen Forscher nutzten das Modell, um Daten aus 19 Jahren zu generieren, die die Entwicklung der gesamten Atmosphäre bis zu einer Höhe von 110 Kilometern (68,4 Meilen) umfassen. Anschließend nutzten sie zusätzliche Messungen der mesosphärischen Winde, die mit Hilfe eines bodengestützten Radars gewonnen wurden, um einige Parameter des Modells zu überprüfen und Vertrauen in seine Ergebnisse zu gewinnen.
Der Datensatz deckt den Zeitraum zwischen September 2004 und Dezember 2023 ab und wird es den Forschern ermöglichen, einige der mysteriösen Phänomene zu erforschen und zu modellieren, die sich in größeren Höhen abspielen, darunter das faszinierende Polarlicht und sein antipodisches Gegenstück, das Polarlicht (Aurora australis).
„Für die Troposphäre und Stratosphäre haben wir eine Menge Daten, und die numerische Modellierung für diese Region ist nahezu perfekt“, sagte Kaoru Sato, Professor für Atmosphärenphysik an der Universität Tokio und leitender Forscher des Projekts, gegenüber kosmischeweiten.de. „In der Region darüber schneiden die Modelle nicht so gut ab, weil sie keine genauen Daten über die Ausgangsbedingungen haben. Unser Datensatz kann das liefern.“
Die Ignosphäre ist die atmosphärische Region, in der viele Effekte im Zusammenhang mit dem Weltraumwetter auftreten. Wenn Ausbrüche geladener Teilchen von der Sonne auf unseren Planeten treffen, vermischen sie sich mit den dünnen Gasen hoch über der Erde und regen die Luftmoleküle an. Dabei geben die Moleküle das faszinierende Leuchten ab, das wir auf der Erde als Polarlichter beobachten können. Aber es gibt noch andere, weniger sichtbare Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Atmosphäre.
„Die hochenergetischen Sonnenpartikel können die Ozonchemie verändern und die Ozonschicht zerstören“, sagte Sato. „Wir wissen auch, dass das Aurora-Phänomen so genannte Schwerkraftwellen erzeugen kann, die sich dann nach unten in die Atmosphäre ausbreiten.
Gravitationswellen (nicht zu verwechseln mit den Gravitationswellen, die unter anderem bei Kollisionen mit Schwarzen Löchern entstehen) sind Wirbel, die in der gesamten Atmosphäre auftreten. Sie transportieren Energie über den gesamten Erdball und beeinflussen so das Klima. Bislang konnten die Klimamodellierer jedoch die Auswirkungen von Schwerewellen, die in größeren Höhen auftreten, nicht verstehen.
„Unser Datensatz liefert sehr hoch aufgelöste Anfangsbedingungen für das allgemeine Zirkulationsmodell der Atmosphäre“, sagte Sato. „Damit können wir Schwerewellen in der gesamten Atmosphäre simulieren, von der Oberfläche bis zum Rand des Weltraums.“
Die Daten werden den Forschern auch dabei helfen, besser zu modellieren, wie sich Prozesse in der unteren Atmosphäre auf die Ionosphäre auswirken, den Teil der Atmosphäre oberhalb einer Höhe von 80 km, in dem gasförmige Partikel ständig vom Sonnenwind ionisiert werden. Sato sagte, dass atmosphärische Wellen, einschließlich Schwerkraftwellen und Gezeitenwellen im globalen Maßstab, den ionosphärischen Dynamo beeinflussen, einen Prozess, der durch die Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldlinien der Erde und den Bewegungen der ionisierten Luft der Ionosphäre einen elektrischen Strom um den Planeten erzeugt.
Es gibt noch andere Rätsel, von denen die Forscher hoffen, dass ihr Datensatz dazu beitragen wird, sie zu lösen – zum Beispiel das seltsame Phänomen der interhemisphärischen Kopplung, das erstmals Ende der 2000er Jahre beobachtet wurde. Bei der interhemisphärischen Kopplung handelt es sich um eine vermutete Verbindung zwischen der antarktischen Mesosphäre und der arktischen Stratosphäre, bei der seltene Wolken in großer Höhe regelmäßig zur gleichen Zeit auftauchen und wieder verschwinden, normalerweise im Januar, so Sato.
„Wenn wir die Mechanismen hinter dieser interhemisphärischen Kopplung verstehen wollen, brauchen wir Daten“, sagte Sato. „Unser Datensatz kann sehr wertvolle Informationen liefern, um diese Kopplung anzugehen.“
Ein Artikel, der die Arbeit des japanischen Teams beschreibt, wurde am 10. Januar in der Zeitschrift Progress in Earth and Planetary Science veröffentlicht.
