Zwei neue NASA-Satelliten in Schuhkartongröße sollen dabei helfen, ein atmosphärisches Mysterium zu entschlüsseln, das Wissenschaftler schon seit Jahren beschäftigt: Wie beeinflusst das Verhalten von Wolken und Wasserdampf in den Polarregionen der Erde das Klima unseres Planeten?
Der erste CubeSat der NASA-Mission „Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment“ (PREFIRE) startete am Samstag, den 25. Mai, von Neuseeland aus. Der zweite PREFIRE-CubeSat soll am Samstag, den 1. Juni, abheben. Das Startfenster öffnet sich um 15:00 Uhr NZST (23:00 Uhr EDT, Freitag, 31. Mai).
Die Mission wird die Wärmemenge messen, die die Erde aus den beiden kältesten und entlegensten Regionen des Planeten in den Weltraum abgibt. Die Daten von PREFIRE werden Computermodelle verbessern, mit denen Forscher vorhersagen, wie sich Eis, Meere und Wetter der Erde in einer wärmer werdenden Welt verändern werden.
Die Erde absorbiert in den Tropen einen Großteil der Sonnenenergie, und Wetter und Meeresströmungen transportieren diese Wärme zu den Polen (die viel weniger Sonnenlicht erhalten). Eis, Schnee und Wolken – neben anderen Teilen der polaren Umwelt – geben einen Teil dieser Wärme in den Weltraum ab, einen Großteil davon in Form von Ferninfrarotstrahlung. Der Unterschied zwischen der Wärmemenge, die die Erde in den Tropen absorbiert, und der Wärmemenge, die von der Arktis und Antarktis abgestrahlt wird, hat einen entscheidenden Einfluss auf die Temperatur des Planeten und trägt dazu bei, dynamische Klima- und Wettersysteme voranzutreiben.
Doch die Ferninfrarot-Emissionen an den Polen wurden noch nie systematisch gemessen. Hier kommt PREFIRE ins Spiel. Die Mission wird den Forschern helfen, ein klareres Verständnis davon zu bekommen, wann und wo die Polarregionen der Erde Ferninfrarot-Strahlung in den Weltraum aussenden und wie atmosphärischer Wasserdampf und Wolken die Menge der entweichenden Strahlung beeinflussen.
Wolken und Wasserdampf können Ferninfrarotstrahlung auf der Erde einfangen und dadurch die globalen Temperaturen erhöhen – ein Teil des Treibhauseffekts.
„Wenn wir das Klima der Erde genau modellieren wollen, müssen wir die Auswirkungen der Wolken unbedingt richtig einschätzen“, sagte Tristan L‘Ecuyer, Professor an der University of Wisconsin-Madison und leitender Forscher von PREFIRE.
Dieses Video gibt einen Überblick über die PREFIRE-Mission, deren Ziel darin besteht, die Vorhersagen des globalen Klimawandels zu verbessern, indem das Wissen der Wissenschaftler über die von der Erde in den Polarregionen abgestrahlte Wärme erweitert wird. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Wolken in der Klimamodellierung
Wolken und Wasserdampf an den Polen der Erde wirken wie Fenster an einem Sommertag: Ein klarer, relativ trockener Tag in der Arktis ist wie das Öffnen eines Fensters, um Wärme aus einem stickigen Raum herauszulassen. Ein bewölkter, relativ feuchter Tag hält Wärme wie ein geschlossenes Fenster fest.
Die Art der Wolken – und die Höhe, in der sie sich bilden – beeinflussen, wie viel Wärme die polare Atmosphäre speichert. Wie eine getönte Fensterscheibe haben Wolken in niedriger Höhe, die hauptsächlich aus Wassertröpfchen bestehen, eine kühlende Wirkung. Wolken in großer Höhe, die hauptsächlich aus Eispartikeln bestehen, absorbieren Wärme leichter und erzeugen so eine wärmende Wirkung. Da Wolken in mittleren Höhen einen unterschiedlichen Wassertröpfchen- und Eispartikelgehalt aufweisen können, können sie entweder eine wärmende oder eine kühlende Wirkung haben.
Wolken sind jedoch bekanntermaßen schwer zu untersuchen: Sie bestehen aus mikroskopisch kleinen Partikeln, die sich innerhalb von Sekunden bis Stunden bewegen und verändern können. Wenn es regnet oder schneit, kommt es zu einer starken Umverteilung von Wasser und Energie, die den Charakter der Wolken völlig verändern kann. Diese sich ständig ändernden Faktoren erschweren die Aufgabe, das Verhalten der Wolken in Klimamodellen, die globale Klimaszenarien zu projizieren versuchen, realistisch abzubilden.
Inkonsistenzen in der Darstellung von Wolken durch verschiedene Klimamodelle können den Unterschied zwischen der Vorhersage einer Erwärmung um 5 oder 10 Grad Fahrenheit (3 oder 6 Grad Celsius) ausmachen. Die PREFIRE-Mission zielt darauf ab, diese Unsicherheit zu verringern.
Das thermische Infrarotspektrometer an Bord jedes Raumfahrzeugs wird wichtige Messungen der Wellenlängen des Lichts im fernen Infrarotbereich durchführen. Die Instrumente werden in der Lage sein, Wolken zu erkennen, die für andere Arten optischer Instrumente weitgehend unsichtbar sind. Und die Instrumente von PREFIRE werden empfindlich genug sein, um die ungefähre Größe von Partikeln zu erkennen und so zwischen Flüssigkeitströpfchen und Eispartikeln zu unterscheiden.
„PREFIRE wird uns einen neuen Blick auf die Wolken ermöglichen“, sagte Brian Kahn, Atmosphärenforscher am Jet Propulsion Laboratory der NASA und Mitglied des PREFIRE-Wissenschaftsteams. „Wir sind uns noch nicht ganz sicher, was wir sehen werden, und das ist wirklich aufregend.“