Zwei neue Miniatursatelliten der NASA werden in einigen Monaten damit beginnen, die Erdatmosphäre zu durchqueren und Wärmeverluste im Weltraum aufzuspüren. Ihre Beobachtungen aus den kältesten Regionen des Planeten werden dazu beitragen, vorherzusagen, wie sich unser Eis, unsere Meere und unser Wetter angesichts der globalen Erwärmung verändern werden.
Die Würfelsatelliten oder CubeSats sind etwa so groß wie ein Schuhkarton und umfassen eine Mission namens PREFIRE, kurz für Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment. Ausgestattet mit auf dem Mars bewährter Technologie besteht ihr Ziel darin, erstmals das gesamte Spektrum des Wärmeverlusts aus den Polarregionen der Erde aufzudecken und so Klimamodelle genauer zu machen.
PREFIRE wurde gemeinsam von der NASA und der University of Wisconsin-Madison mit Teammitgliedern der Universitäten Michigan und Colorado entwickelt.
Die Mission beginnt mit dem Energiehaushalt der Erde. In einem planetarischen Balanceakt sollte die Menge an Wärmeenergie, die der Planet von der Sonne erhält, idealerweise durch die Menge ausgeglichen werden, die vom Erdsystem in den Weltraum abgestrahlt wird. Der Unterschied zwischen ein- und ausgehender Energie bestimmt die Temperatur der Erde und prägt unser Klima.
Eine Schlüsselrolle spielen dabei die Polarregionen, die wie die Kühlerrippen der Erde wirken. Die Bewegung von Luft und Wasser durch Wetter und Meeresströmungen transportiert die in den Tropen aufgenommene Wärmeenergie zu den Polen, wo sie als thermische Infrarotstrahlung abgegeben wird – die gleiche Art von Energie, die Sie von einer Wärmelampe spüren. Etwa 60 % dieser Energie strömen in Wellenlängen im fernen Infrarot in den Weltraum, die noch nie systematisch gemessen wurden.
PREFIRE kann diese Lücke schließen. „Wir haben das Potenzial, einige grundlegende Dinge über die Funktionsweise unseres Planeten herauszufinden“, sagte Brian Drouin, Wissenschaftler und stellvertretender Hauptforscher der Mission am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien.
„Bei Klimaprojektionen entsteht ein großer Teil der Unsicherheit dadurch, dass wir nichts über den Nord- und Südpol wissen und wie effizient Strahlung in den Weltraum emittiert wird“, sagte er. „Die Bedeutung dieser Strahlung war während des größten Teils des Weltraumzeitalters nicht erkannt, aber wir wissen es jetzt und wollen sie messen.“
Jeder Satellit startet im Abstand von zwei Wochen im Mai in Neuseeland und wird mit einem thermischen Infrarotspektrometer ausgestattet sein. Die vom JPL entwickelten Instrumente umfassen speziell geformte Spiegel und Detektoren zur Aufteilung und Messung von Infrarotlicht. Eine ähnliche Technologie wird vom Mars Climate Sounder auf dem Mars Reconnaissance Orbiter der NASA verwendet, um die Atmosphäre und das Wetter des Roten Planeten zu erforschen.
Die Miniaturisierung der Instrumente, damit sie auf CubeSats passen, war eine Herausforderung für das PREFIRE-Ingenieurteam. Sie entwickelten ein verkleinertes Design, das für die vergleichsweise warmen Bedingungen unseres Planeten optimiert ist. Die Instrumente wiegen weniger als 3 Kilogramm und messen ihre Werte mithilfe eines sogenannten Thermoelements, ähnlich den Sensoren, die in vielen Haushaltsthermostaten zu finden sind.
Ground Zero für den Klimawandel
Um die Abdeckung zu maximieren, werden die PREFIRE-Zwillinge die Erde auf unterschiedlichen Bahnen umkreisen, wobei sie sich alle paar Stunden in der Nähe der Pole überlappen.
Seit den 1970er Jahren hat sich die Arktis mindestens dreimal schneller erwärmt als irgendwo sonst auf der Erde. Das dortige Wintermeereis ist um mehr als 41.200 Quadratkilometer pro Jahr geschrumpft, was einem Verlust von 2,6 % pro Jahrzehnt im Vergleich zum Durchschnitt von 1981 bis 2010 entspricht. Auch auf der anderen Seite des Planeten vollzieht sich eine Veränderung: Die Eisschilde der Antarktis verlieren durchschnittlich etwa 150 Milliarden Tonnen pro Jahr an Masse.
Die Auswirkungen dieser Änderungen sind weitreichend. Schwankungen im Meereis prägen polare Ökosysteme und beeinflussen die Temperatur und Zirkulation des Ozeans. Schmelzwasser aus kilometerdicken Eisschilden in Grönland und der Antarktis ist für etwa ein Drittel des Anstiegs des globalen mittleren Meeresspiegels seit 1993 verantwortlich.
„Wenn man die Polarregionen verändert, verändert man auch grundlegend das Wetter auf der ganzen Welt“, sagte Tristan L’Ecuyer, Professor an der University of Wisconsin-Madison und leitender Forscher der Mission. „Extreme Stürme, Überschwemmungen, Küstenerosion – all diese Dinge werden von den Ereignissen in der Arktis und Antarktis beeinflusst.“
Um solche Veränderungen zu verstehen und zu projizieren, nutzen Wissenschaftler Klimamodelle, die viele physikalische Prozesse berücksichtigen. Das mehrmalige Ausführen der Modelle (jedes Mal unter leicht unterschiedlichen Bedingungen und Annahmen) führt zu einem Ensemble von Klimaprojektionen. Annahmen über unsichere Parameter, etwa wie effizient die Pole Wärmestrahlung abgeben, können die Prognosen erheblich beeinflussen.
PREFIRE wird neue Daten zu verschiedenen Klimavariablen liefern, darunter Atmosphärentemperatur, Oberflächeneigenschaften, Wasserdampf und Wolken. Letztendlich werden mehr Informationen zu einer genaueren Vorstellung einer Welt im Wandel führen, sagte L’Ecuyer.
„Wenn unsere Klimamodelle konvergieren, werden wir beginnen, wirklich zu verstehen, wie die Zukunft in der Arktis und Antarktis aussehen wird“, fügte er hinzu.