Studententeams von drei US-Universitäten haben als erste gemessen, was Wissenschaftler schon lange vorhergesagt haben: Sonnenfinsternisse können in der Erdatmosphäre Wellen erzeugen, die als atmosphärische Schwerewellen bezeichnet werden. Die verräterische Signatur der Wellen tauchte in Daten auf, die während der ringförmigen Sonnenfinsternis in Nordamerika am 14. Oktober 2023 im Rahmen des von der NASA geförderten Nationwide Eclipse Ballooning Project (NEBP) aufgezeichnet wurden.
Im Rahmen des NEBP wurden Schüler- und Studententeams entlang des Pfades der Sonnenfinsternis in mehreren US-Bundesstaaten stationiert und ließen dort Wetterballons mit Instrumentenpaketen steigen, die für technische Studien oder Experimente in der Atmosphärenforschung bestimmt waren. Eine Gruppe von Wissenschaftsteams in New Mexico sammelte Daten, die die Sonnenfinsternis eindeutig mit der Entstehung atmosphärischer Schwerewellen in Verbindung brachten – eine Entdeckung, die zu verbesserten Wettervorhersagen führen könnte.
„Wenn wir verstehen, wie die Atmosphäre im speziellen Fall von Sonnenfinsternissen reagiert, können wir die Atmosphäre besser verstehen. Das wiederum hilft uns, genauere Wettervorhersagen zu erstellen und letztlich den Klimawandel besser zu verstehen.“
Wellenreiten in New Mexico
Frühere Ballonteams hatten bei früheren Sonnenfinsternissen auch nach atmosphärischen Schwerewellen gesucht, eine Forschung, die von der NASA und der National Science Foundation unterstützt wurde. 2019 sammelte ein in Chile stationiertes NEBP-Team vielversprechende Daten, aber stündliche Ballonstarts lieferten nicht genügend Details. Versuche, das Experiment 2020 zu wiederholen, wurden durch COVID-19-Reisebeschränkungen in Argentinien und einen schweren Regensturm vereitelt, der die Datenerfassung in Chile behinderte.
Die Projektleiter berücksichtigten diese Erkenntnisse bei der Planung für 2023, planten alle 15 Minuten einen Ballonstart und wägten sorgfältig die Standorte mit dem größten Erfolgspotenzial ab.
„New Mexico sah besonders vielversprechend aus“, sagte Jie Gong, ein Forscher im NASA Climate and Radiation Lab am Goddard Space Flight Center der Agentur in Greenbelt, Maryland, und Mitforscher der Forschung zu atmosphärischen Schwerewellen. „Die meisten Quellen der atmosphärischen Schwerkraft sind Konvektion, Wettersysteme und Berge. Wir wollten alle diese möglichen Quellen ausschließen.“
Im Rahmen des Projekts wurde in der Stadt Moriarty in New Mexico ein „Supersite“ geschaffen, an dem vier Teams aus Atmosphärenforschern untergebracht waren: zwei von der Plymouth State University in Plymouth, New Hampshire, und jeweils eines von der State University of New York (SUNY) Albany und SUNY Oswego.
Am Tag vor der Sonnenfinsternis begannen die Schüler bereits um 10 Uhr morgens damit, Ballons steigen zu lassen.
„Sie arbeiteten Tag und Nacht in Schichten und dann waren alle zur Sonnenfinsternis vor Ort“, sagte Eric Kelsey, außerordentlicher Professor für Forschung an der Plymouth State und Leiter der NEBP-Region Nordosten.
Jeder von den Wissenschaftsteams gestartete Ballon trug eine Radiosonde, ein Instrumentenpaket, das während seines Aufstiegs durch die Atmosphäre jede Sekunde Temperatur, Standort, Luftfeuchtigkeit, Windrichtung und Windgeschwindigkeit maß. Die Radiosonden übermittelten diesen Strom an Rohdaten an das Team am Boden. Die Studenten luden die Daten auf einen gemeinsamen Server hoch, wo Gong und zwei Doktoranden sie monatelang verarbeiteten und analysierten.
Die Bestätigung, dass die Sonnenfinsternis atmosphärische Schwerewellen am Himmel über New Mexico erzeugt hatte, kam im Frühjahr 2024.
„Wir haben alle Daten nach Zeit geordnet zusammengetragen und als wir diese Zeitreihe aufzeichneten, konnte ich bereits die Streifen im Signal sehen“, sagte Gong. „Ich habe alle mit E-Mails bombardiert. Wir waren ziemlich aufgeregt.“
Für Studenten bieten Lernkurven Chancen
Das Programm bot vielen Studierenden ihre ersten Erfahrungen im Sammeln von Daten. Doch die Vorteile gehen über technische und wissenschaftliche Fähigkeiten hinaus.
„Die Schüler haben durch das Üben des Startens von Wetterballons eine Menge gelernt“, sagte Kelsey. „Es war ein riesiger Lernprozess. Sie mussten zusammenarbeiten, um die gesamte Logistik zu klären und Probleme zu beheben. Das ist eine gute Übung für Teamfähigkeit.“
„Das alles ist technisch kompliziert“, sagte Des Jardins. „Während der Fokus jetzt auf den wissenschaftlichen Ergebnissen liegt, ist das Wichtigste, dass es die Studenten waren, die das möglich gemacht haben.“