Neue Akteure der Mesosphäre: Staub und atomarer Sauerstoff

Die Mesosphäre ist ein sehr komplexes Gebiet der Hochatmosphäre, insbesondere die Ionenchemie ist detailreicher als die in höheren Schichten, wie der Thermosphäre bzw. der E- und F-Schicht der Ionosphäre. Heutige theoretische Modelle berücksichtigen nicht nur die Gaschemie, sondern auch den Transport von atmosphärischen Bestandteile inklusive Staub meteorischen Ursprungs. In situ Messungen aus jüngerer Zeit haben die Bedeutung des offensichtlich allgegenwärtigen Staubs für das Plasmagleichgewicht gezeigt, aber nach Modellrechnungen kann man auch mit einem Einfluß auf die Neutralchemie rechnen. Heutige Atmosphärenmodell sind besser als die ihnen zugrunde liegenden Annahmen, d.h. daß viele der benötigten Parameter entweder nicht oder nur vage bekannt sind. Viele werden nur angenommen oder basieren auf sporadischen oder unzuverläßlichen Messungen. Insbesondere sind Turbulenz, atomarer Sauerstoff oder (Meteor-)Staub wichtig; diese Parameter sind wegen der Schwierigkeiten der in situ Messungen in einer relativ dichten Hintergrundatmosphäre nur schwer verläßlich meßbar. Messungen vom Boden oder von Satelliten haben üblicherweise nicht die benötigte Höhenauflösung, oder stellen Mittelwert über größere Gebiete dar. Um diesem Mißstand beizukommen sind vier Raketenflüge geplant, die mit Hilfe von verschiedenen Geräten verschiedener Forschungsinstitute Daten über Meteorstaub mit noch nie dagewesener Genauigkeit und Auflösung der Masse und der Ladung liefern werden. Diese Flüge mit internationale Partner aus Deutschland, Norwegen, Schweden und den USA werden von Nordskandinavien aus durchgeführt. Ein anderer wichtiger Parameter ist atomarer Sauerstoff, der in der Mesosphäre nur sehr schwierig zu messen ist. Mehrere neuartigen Meßgeräten werden in zwei Flügen zu unterschiedlichen geophysikalischen Bedingungen deren Konzentration messen. Die Ergebnisse werden realistische Werte für Atmosphärenmodelle sein und helfen, Schwächen in der den Modellen zugrunde liegenden Annahmen zu erkennen. Ein besserer Einblick in die Prozesse, die zu Radarechos der polaren Mesosphäre und zur Bildung nachtleuchtender Wolken führen, wird es erlauben solche Bodenmessungen als Messung der Hochatmosphäre, insbesondere der Temperatur, zu verstehen. Wenn auch nur sporadisch wurden nachtleuchtende Wolken über 100 Jahre beobachtet und können als Ersatz für Temperaturmessungen dienen. Weiters stellen die vorgesehenen Plasmamessungen eine wesentliche Erweiterung der Datensätze dar, auf denen verschiedene empirische Modelle von Ionosphärenparametern beruhen.

Der ursprüngliche Antrag sah eine Teilnahme an insgesamt vier Raketenflügen zur Untersuchung der Bedeutung des Spurengases atomarer Sauerstoff und von Meteorstaub vor, was für die Zusammensetzung der Mesosphäre (<85 km) von Bedeutung ist. Wegen Finanzierungsproblemen der Institutionen der Principal Investigator wurden die entsprechenden Kampagnen verschoben, jedoch wurde im Zuge dessen die Gesamtzahl der Flüge verdoppelt (!). Die Bedeutung von atomaren Sauerstoff, insbesondere für die ionisierte Atmosphäre ist schon länger erkannt, aber deren Dichtemessungen unter etwa 80 km sind sehr kontroversiell und nur wenigen Ergebnisse aus diesem Höhenbereich gelten als verläßlich. In jüngerer Zeit hat man gefunden, daß Meteorstaub, der sich etwa in der Höhe der Mesopause (ca. 85 km) anlagert, einen wesentlichen Einfluß auf das Gleichgewicht geladener Teilchen hat; auch hier sind bisherige Messungen schwierig und zum Teil widersprüchlich. Drei verschieden instrumentierte Raketennutzlasten wurden geflogen, wovon einige geborgen und wieder verwendet wurden. Alle Flüge fanden in Skandinavien statt, wobei die erhaltenen Ergebnisse der Hochatmosphäre keineswegs nur für polare Breiten relevant sind. Die beiden ersten Flüge (O-States, 2015 von ESRANGE, Schweden) zielten auf die Messung von Sauerstoff in den verschiedenen in Frage kommenden Varianten ab. Neun verschiedene Photometer kamen zum Einsatz, sowie ein neuartiger elektrolytischer Detektor für atomaren Sauerstoff. Der Grazer Beitrag waren Instrumente zur Messung von Ionen und Elektronen; deren Dichte ist eng mit der von atomaren Sauerstoff und von Meteorstaub verknüpft. Diese Nutzlast wurde am Land geborgen und nach 18 Tagen innerhalb der selben Kampagne, aber unter etwas anderen geophysikalischen Bedingungen noch einmal geflogen. Die nächsten beiden Flüge (MaxiDusty, 2016 von Andøya, Norwegen) waren speziell darauf ausgerichtet mit verschiedenen Geräten quantitative Messungen von Meteorstaub durchzuführen; unter diesen Geräten war auch ein spezielles Massenspektrometer, ein Instrumenttyp der wegen seiner Komplexität seit den 90er Jahren nicht mehr geflogen wurde. Die beiden PMWE Flüge (April 2018 von Andøya) hatten die Untersuchung von Radarechos aus 70 bis 80 km Höhe zum Ziel, welche recht selten im polaren Winter auftreten. Die Nutzlasten wurde aus dem Meer geborgen und sollen im Herbst 2019, also nach Ende des gegenständlichen FWF Projektes, noch einmal geflogen werden. Die beschriebenen Aktivitäten haben erst teilweise zu endgültigen Publikationen geführt. Die Beteiligung an diesen Untersuchungen hat jedoch dazu geführt, daß Wissenschaftler, die nicht in den beschriebenen Kampagnen involviert waren, an der Kooperation betreffend Studien zur unteren Ionosphäre großes Interesse gezeigt haben und zu gemeinsamen Veröffentlichungen eingeladen haben.