Kohlendioxid lässt die oberste Atmosphäre schrumpfen und verlängert das Leben von Weltraumschrott

In der Nähe der Erdoberfläche führen zunehmende Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre zu einem Temperaturanstieg. Aber ab einer Höhe von etwa 60 Kilometern (37 Meilen) kühlt Kohlendioxid in den äußersten Schichten der Atmosphäre, der Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT), tatsächlich die Atmosphäre ab, wodurch sie schrumpft und sich zusammenzieht. Dieser Abkühlungs- und Kontraktionsprozess wird seit über drei Jahrzehnten vermutet. Jetzt enthüllen neue Forschungsergebnisse den ersten Beweis dafür, dass die globale Schrumpfung der oberen Atmosphäre begonnen hat.

Eine neue Studie verwendet von Satelliten abgeleitete Druck- und Temperaturdaten, um zu zeigen, dass die MLT zwischen 2002 und 2019 um über 1,3 Kilometer (0,8 Meilen) geschrumpft ist. Etwa 340 Meter (1.115 Fuß) dieser Schrumpfung sind auf Kohlendioxid zurückzuführen, und diese Kontraktion ist wahrscheinlich dauerhaft, so die Forscher.

Der Rest der Kontraktion ist auf einen Rückgang der Sonnenaktivität während dieser Zeit zurückzuführen. Die Studie wurde im veröffentlicht Journal of Geophysical Research: Atmosphärendie Forschungsergebnisse veröffentlicht, die das Verständnis der Erdatmosphäre und ihrer Wechselwirkung mit anderen Komponenten des Erdsystems vorantreiben.

Eine Abkühlung und schrumpfende MLT wird zu einer längeren Lebensdauer von Weltraumschrott in höheren Lagen führen, einschließlich der oberen Thermosphäre, was ein Risiko für die Internationale Raumstation und andere Weltraumobjekte im erdnahen Orbit darstellt. Zehntausende bekannte Teile von Weltraumschrott, von natürlichen Meteroiden bis hin zu von Menschen gemachtem technologischem Schrott, umkreisen derzeit die Erde.

Im Laufe der Zeit sinken die meisten Trümmer ab und fallen aus der Umlaufbahn. Modelle in einem zuvor veröffentlichten Artikel in Geophysikalische Forschungsbriefe Die prognostizierte Abkühlung in der Thermosphäre würde bis 2070 zu einer Verringerung des Luftwiderstands um etwa 33 % und einer um 30 % längeren Lebensdauer von Weltraumschrott führen.

„Eine Konsequenz ist, dass Satelliten länger in der Luft bleiben, was großartig ist, weil die Menschen wollen, dass ihre Satelliten in der Luft bleiben. Aber Trümmer werden auch länger in der Luft bleiben und wahrscheinlich die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Satelliten und andere wertvolle Weltraumobjekte ihren Weg anpassen müssen, um auszuweichen Kollisionen“, sagte Martin Mlynczak, der Hauptautor der Journal of Geophysical Research: Atmosphären Studium und Geospace-Wissenschaftler am Langley Research Center der NASA. Länger anhaltende Trümmer könnten die Kosten für Weltraumversicherungen erhöhen und eine wichtige Überlegung bei zukünftigen weltraumrechtlichen und politischen Entscheidungen sein, fügte er hinzu.

Die Thermosphäre ist die höchste Schicht der Atmosphäre vor dem, was viele Menschen wahrscheinlich als „Weltraum“ oder Exosphäre betrachten. Er wird durch den atmosphärischen Druck definiert, erstreckt sich aber im Allgemeinen von Höhen von etwa 80 bis 90 Kilometern (50 bis 60 Meilen) bis zwischen 500 und 1.000 Kilometern (300 bis 600 Meilen).

Anders als die Atmosphäre nahe der Erdoberfläche besteht die Thermosphäre hauptsächlich aus Sauerstoff und Stickstoff. Der größte Teil der einfallenden UV-Strahlung der Sonne wird von Sauerstoff absorbiert, wodurch die Thermosphäre aufgeheizt wird und sich ausdehnt. Die Erwärmung variiert von einem Sonnenzyklus zum nächsten und spielt eine wichtige Rolle bei der Einstellung der Temperatur der Thermosphäre und beim Schrumpfen oder Quellen.

Abkühlung verursacht Kontraktion in der hohen Atmosphäre

In geringen Höhen in der Atmosphäre absorbiert Kohlendioxid Energie und gibt sie nach unten ab, wodurch die Atmosphäre erwärmt wird. Aber in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre, wo die Atmosphäre millionenfach dünner ist, absorbieren Kohlendioxidmoleküle einfallende Energie und emittieren Infrarotstrahlung zurück in den Weltraum, was zur Kühlung der oberen Atmosphäre beiträgt. Höhere Kohlendioxidkonzentrationen im MLT senden dann mehr Energie zurück in den Weltraum. Diese Strahlungskühlung, gepaart mit Schwankungen der Sonnenaktivität, treibt die Kontraktion voran.

Die Kohlendioxidkonzentrationen in der Mesosphäre und Thermosphäre haben im Gleichschritt mit den Konzentrationen an der Erdoberfläche zugenommen. Wissenschaftler sagten in den 1980er Jahren voraus, dass es zu einer Abkühlung und Kontraktion kommen würde, aber die neue Studie ist die erste, die globale Beobachtungen der Kontraktion demonstriert.

„Es gab großes Interesse daran zu sehen, ob wir diesen Abkühlungs- und Schrumpfungseffekt auf die Atmosphäre tatsächlich beobachten können“, sagte Mlynczak. „Wir präsentieren diese Beobachtungen endlich in diesem Papier. Wir sind die ersten, die das Schrumpfen der Atmosphäre auf globaler Ebene auf diese Weise zeigen.“

Wenn die Thermosphäre abkühlt, zieht sie sich zusammen und führt zu einer geringeren Dichte. Aus diesem Grund erfährt ein Satellit in einer bestimmten Höhe in der Thermosphäre jetzt relativ weniger dichte Luft und daher weniger Luftwiderstand als vor der Zugabe von zusätzlichem Kohlendioxid.

Das neue JGR: Atmosphären Die Studie verwendete Temperatur- und Druckdaten des TIMED-Satelliten der NASA (im 21. Jahr einer ursprünglich zweijährigen Mission), um nach den vorhergesagten Abkühlungs- und Kontraktionsmustern zu suchen. Die Forscher fanden heraus, dass die höchste Höhe der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre zwischen 2002 und 2019 um bis zu 1,7 Grad Celsius (35 Grad Fahrenheit) abgekühlt und um über einen Kilometer geschrumpft ist.

Der jüngste Sonnenzyklus war schwach, was es den Forschern ermöglichte, die Auswirkungen von Kohlendioxid und Sonnenstrahlung auf die atmosphärischen Temperaturen zu trennen. In den höchsten Lagen der MLT ist der schwächere Sonnenzyklus in den letzten 20 Jahren für den größten Teil der beobachteten Abkühlung verantwortlich und trägt zur Abkühlung durch zunehmendes Kohlendioxid bei.

„In jeder Höhe gibt es eine Abkühlung und eine Kontraktion, die wir zum Teil dem zunehmenden Kohlendioxid zuschreiben“, sagte Mlynczak. „Solange Kohlendioxid in etwa der gleichen Rate zunimmt, können wir davon ausgehen, dass auch diese Temperaturänderungsraten etwa konstant bleiben, bei etwa einem halben Grad Kelvin [of cooling] pro Jahrzehnt.“